PHYSIK → Klasse 7 & 8 → Einfache Maschinen & Arbeit

Einstieg

1. In den vorausgegangenen Kapiteln haben wir aus ausführlich mit Kräften beschäftigt. Wir können Kräfte anhand ihrer Wirkung identifizieren, sie mithilfe des Kraftvektors darstellen und das Zusammenwirken von Kräften beschreiben.
   Im Folgenden nutzen wir dieses Wissen, um einfache Maschinen mithilfe von Kräften zu erklären und neue Zusammenhänge herauszufinden.
2. Hebelgesetz
   1. Führe das Experiment zum Hebel mit einer Kraft durch.
   Hebelgesetz

   Ein physikalischer Hebel besteht aus einem Drehpunkt und zwei Kraftarmen \(F_1\) und \(F_2\) unterschiedlicher Längen \(r_1\) und \(r_2\). Damit der Hebel im Gleichgewicht ist, muss am längeren Arm eine geringere Kraft wirken: \[r_1\cdot F_1=r_2\cdot F_2\] Damit lassen sich schwerere Dinge mithilfe einer geringeren Kraft anheben.
   Beispiel:
   Sei \[r_1=10\rm{m}\] \[r_2=1\rm{m}\] und wirkt auf das anzuhebende Objekt am kürzeren Kraftarm eine Gewichtskraft von \(F_2=100\) N, so benötigt man bei diesem Hebel eine Kraft von \[F_1=\frac{r_2}{r_1}F_2=\frac{1\rm{m}}{10\rm{m}}100\rm{N}=10\rm{N}\]

   

   Dieses physikalische Prinzip lässt sich mithilfe der Arbeit erklären.

3. Flaschenzug
   1. Führe das Experiment zum kompakten Flaschenzug durch.
   2. Zu Beginn des Themas Kraft wurd bereits kurz über den physikalischen Begriff Arbeit gesprochen. Dabei war die Arbeit das Produkt aus Kraft und zurückgelegter Strecke. In wie fern lässt sich hiermit der Flaschenzug erklären?
   Flaschenzug

   Bei einem Flaschenzug wird durch Umlenkrollen künstlich die Zugstrecke zum Anheben eines Objektes verlängert. Dadurch verringert sich die zum Anheben des Objektes benötigte Kraft \(F_Z\) nach: \[F_Z=\frac{F_L}{n}\] wobei \(n\) die Anzahl an tragenden Seilen ist und \(F_L\) die zum Anheben des Objektes benötigte Kraft ohne Flaschenzug ist. Jedes tragende Seil zieht jetzt mit der Kraft \(F_Z\).
   

   

   Für die Zugstrecke \(s\) gilt mit der Höhenänderung des Objektes \(h\): \[s=n\cdot h\]
   

Wissen

Soll ein Objekt entgegen der Gravitationskraft nach oben bewegt werden, so muss auf das Objekt entlang der gesamten Strecke mit einer Kraft, welche etwas größer als die Gravitationskraft ist, eingewirkt werden. In so einem Fall spricht man davon, dass an dem Objekt Arbeit verrichtet wird.
Wird ein Objekt durch eine, entlang der gesamten Strecke \(\Delta s\), einwirkende konstante Kraft \(F\) verschoben, so ist die mechanischen Arbeit \(\Delta E\) (häufig mit \(W\) bezeichnet) definiert als: \[\Delta E=F\cdot \Delta s\] \[\left[\Delta E\right]=1 \rm{Nm}\] Zum Anheben eines Objektes muss also immer bei der gleichen Strecke die selbe Arbeit verrichtet werden. Mithilfe eins Hebels oder eines Flaschenzuges kann diese Arbeit verteilt werden. Indem die Zugstrecke künstlich durch Umlenkrollen verlängert wird, muss, um die selbe Arbeit zu verrichten, eine geringere Kraft aufgewendet werden.

Aufgaben

1. Hier gibt es eine ganze Reihe an Übungsaufgaben zum Flaschenzug.