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Einfache Maschinen - ein wichtiger Teil unseres Alltags -
erleichtern uns zahlreiche Tätigkeiten, zum Beispiel das
Anheben, Ziehen und Schieben von Gegenständen. Mit
einfachen Maschinen ist eine Person in der Lage, Aufgaben
mit geringerem Kraft- und Energieaufwand zu bewältigen. Um
eine schwere Kiste in einen Lkw zu heben, ist wesentlich mehr
Kraft und Anstrengung erforderlich, als wenn man die Kiste
über eine schiefe Ebene schiebt. Einfache Maschinen können
auch dafür sorgen, dass zum Bewegen eines Gegenstands
Dieser Bausatz besteht aus
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Komponenten, mit denen fünf
einfache Maschinen gebaut werden können: Flaschenzug,
Schiefe Ebene, Keil, Hebel und Wellrad. Jede Maschine
ist so konzipiert, dass sie auf eine individuelle Weise den
Kraftaufwand reduziert.
Flaschenzug (Abbildung 1)
Die Hauptaufgabe eines Flaschenzugs besteht darin, die
Richtung einer angewandten Kraft zu ändern, wodurch
wiederum der zur Bewegung eines Gegenstands erforderliche
Kraftaufwand reduziert wird. Wird auf einen Gegenstand über
einen Flaschenzug eine nach unten gerichtete Kraft ausgeübt,
bewegt sich der Gegenstand nach oben. Demonstrieren Sie
dieses Prinzip, indem Sie den Faden und den Haken des
10
g-
Blocks über einen Flaschenzug verlegen und am Haken nach
unten ziehen (S. Abbildung
1
F). Achten Sie darauf, wie sich
der Block nach oben bewegt, während der Haken nach unten
gezogen wird. Die angewandte Kraft ändert die Richtung, in
die sich der Block bewegt, so dass er sich leichter nach oben
bewegen lässt.
Stellen Sie sich einen Bauarbeiter vor, der versucht, einen
großen Stahlträger auf das Gebäude zu schieben. Es wäre
einfacher, den Stahlträger mit einer Maschine mit Flaschenzug
anzuheben.
Ein Flaschenzug besteht aus einem Band oder Drahtseil, das
sich über mindestens ein Rad oder ein aus mehreren Rädern
bestehendes System bewegt. Als Beispiele aus dem Alltag
können Flaggenmasten, Baukräne, Fensterjalousien sowie
ältere Aufzüge genannt werden.
Experimentieren Sie mit dem Flaschenzugmodell, indem Sie
die Position, die Menge und/oder die Größe der Räder ändern.
Fügen Sie am Ende des Hakens weitere Unterlegscheiben
hinzu. Wie viele Unterlegscheiben werden benötigt, um
den
5
g-Block und den
10
g-Block zu bewegen? Ändert sich
der Kraftaufwand, wenn das Seil durch mehr oder weniger
Räder bewegt wird? Wie ändert sich die Richtung? Erhöht
oder vermindert sich der Kraftaufwand, wenn man kleine
oder große Räder verwendet? Ändert sich der Kraftaufwand,
wenn sich die Position der Räder ändert? Wie ändert sich die
Richtung?
Schiefe Ebene (Abbildung 2)
Die Hauptaufgabe einer schiefen Ebene besteht darin,
einen Gegenstand durch Ziehen oder Schieben mit einem
geringeren Kraftaufwand über eine größere Strecke in eine
bestimmte Höhe zu bewegen. Demonstrieren Sie dieses
Prinzip, indem Sie den
10
g-Block über die Schiefe Ebene
ziehen (S. Abbildung
2
B). Stellen Sie den Block dann auf
den Tisch und heben ihn senkrecht nach oben in die gleiche
Höhe. Stellen Sie fest, wie einfacher es ist, den Block über die
schiefe Ebene zu ziehen, als ihn manuell anzuheben. Für das
Ziehen des Blocks muss eine größere Strecke zurückgelegt
werden, aber durch die Schiefe Ebene wird das Verfahren
erleichtert.
Stellen Sie sich eine Person vor, die Kisten verlädt, indem
sie sie vom Boden anhebt und auf die Ladefläche eines Lkw
stellt. Es wäre einfacher, die Kisten über eine Rampe zu tragen
oder zu schieben. Obwohl eine größere Strecke zurückgelegt
werden muss, ist bei einer Schiefen Ebene der Kraftaufwand
im Vergleich zum manuellen Anheben geringer.
Eine schiefe Ebene besteht aus einer Rampe, die zu einer
anderen Ebene führt. Als Beispiele aus dem Alltag können
Treppen und Rutschen angeführt werden.
Experimentieren Sie mit der Schiefen Ebene, indem Sie deren
Höhe verändern (S. Abbildung
2
D). Wird sich der erforderliche
Kraftaufwand durch eine höhere Ebene erhöhen oder
reduzieren? Lassen Sie neben der Schiefen Ebene einen Ball
aus der gleichen Höhe herunterfallen, und gleichzeitig einen
zweiten Ball die Schiefe Ebene herunterrollen. Welcher Ball
kommt zuerst am Boden an? Um den Ball zu beschleunigen,
während er die Schiefe Ebene herunterrollt, ist ein geringerer
Kraftaufwand erforderlich; daher müsste dieser Ball als
Letzter den Boden erreichen.
Keil (Abbildung 3)
Die Aufgabe eines Keils besteht darin, Gegenstände zu
spalten oder in zwei oder mehrere Teile zu zerlegen, indem ein
scharfkantiger Winkel in einen anderen Gegenstand gedrückt
wird. Demonstrieren Sie dieses Prinzip, indem Sie den Keil
zwischen zwei Elementen einführen, die mit Gummibändern
miteinander verbunden sind (S. Abbildung
3
B). Stellen Sie
fest, wie sich der Abstand zwischen den beiden Elementen
erhöht, während der Keil eingeführt wird.
Stellen Sie sich die Vorderseite eines Schiffes vor, das sich
durch das Wasser bewegt. Durch den spitzen Bug - oder
den Keil - kann sich das Schiff einfacher durch das Wasser
bewegen. Wenn der Bug des Schiffes aus einer flachen
Oberfläche bestünde, könnte es sich nicht so effektiv durch
das Wasser bewegen.
Ein Keil besteht aus mindesten einer - jedoch häufig zwei
schiefen Ebene(n). Als Beispiele aus dem Alltag können
Messer, Äxte, Meißel oder Schiffbugs genannt werden.
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