Kraft & Bewegung

Kräfte sparen.
Wege bezahlen.

Zieh am Flaschenzug, kipp die schiefe Ebene und reiß einen Klotz los. Du siehst sofort, wo du Kraft sparst – und welchen Weg du dafür bezahlst.

Meine Favoriten

Drei Stationen an der Werkbank

1 Rollen und Flaschenzug

Vermute zuerstEin Flaschenzug mit 4 tragenden Seilen braucht nur ein Viertel der Kraft. Sparst du damit auch Arbeit?

Deine Werkbank

Aufbau und Last

Masse 1 bis 1000 kg
0,1 bis 3 m
Lernmodell
0,5 bis 1 (Richtwert gut gelagerter Rollen: etwa 0,95)
Lernmodell: Seil dehnt sich nicht, ohne Seil- und Rollengewicht

Seil ziehen – Last heben

Flaschenzug: Seil, Rollen und Last

Zieh am gelben Griff (Maus oder Finger) oder nimm den Regler. Mit der Tastatur: Griff anwählen, dann Pfeiltasten.

Gewichtskraft FG–
Zugkraft F–
Tragende Seile n–
Wirkungsgrad ηges–
Seilweg s für h–
Jetzt: gezogen → gehoben–
Hubarbeit FG · h–
Zugarbeit F · s–

2 Schiefe Ebene

Vermute zuerstDu stellst die Rampe steiler. Was passiert mit der Normalkraft, die den Körper auf die Rampe drückt?

Deine Werkbank

Rampe und Körper

0 bis 90°
0,1 bis 1000 kg
Was machst du mit dem Körper?
gilt in Ruhe · 0 bis 1,5
gilt beim Gleiten · nicht größer als μH
Lernmodell: Zugkraft parallel zur Ebene, Körper als Punkt

Kräfte an der Rampe

Schiefe Ebene mit maßstäblichen Kraftpfeilen
  • FG Gewichtskraft
  • FH Hangabtriebskraft
  • FN Normalkraft
  • F Zugkraft
  • FR Reibkraft

Alle Pfeile im selben Maßstab: Die Länge von FG entspricht der Gewichtskraft. Gestrichelt: Zerlegung von FG in FH und FN.

Gewichtskraft FG–
Hangabtriebskraft FH–
Normalkraft FN–
Reibkraft FR–
Nötige Zugkraft–
Anteil von FG–
Grenzwinkel arctan μH–
Bleibt von selbst liegen?–

3 Haft- und Gleitreibung

Vermute zuerstDu ziehst eine schwere Kiste über den Boden. Wann brauchst du mehr Kraft?

Deine Werkbank

Klotz und Unterlage

0,1 bis 500 kg
waagrecht, langsam steigern
Lernmodell: waagrechte Unterlage, FN = FG, typische Richtwerte für μ

Ziehen, bis er losbricht

Klotz auf Unterlage mit Zug- und Reibkraft

Normalkraft FN–
Losbrechen bei FHaft–
Gleitreibung FGleit–
Zugkraft F–
Reibkraft FR–
Zustand–
Beschleunigung a–
Geschwindigkeit v–

Zugkraft und Reibkraft im Diagramm

Diagramm: Reibkraft über der Zugkraft

Bis zum Losbrechen steigt die Reibkraft mit deiner Zugkraft (Haftreibung). Danach fällt sie auf die Gleitreibung. Die gelbe Spur zeigt deinen Versuch.

Rollen, Flaschenzug und goldene Regel

Feste Rolle: Sie hängt fest an der Decke und lenkt die Kraft nur um. Du ziehst nach unten, die Last geht nach oben. Kraft und Weg bleiben gleich: F = FG und s = h.

Lose Rolle: Sie hängt an der Last und fährt mit. Zwei Seilstücke tragen die Last, jedes nur die Hälfte. Dafür ziehst du doppelt so viel Seil.

Flaschenzug: feste und lose Rollen zusammen. Zähle die Seilstücke, an denen die untere Flasche mit den losen Rollen hängt – das ist n, die Zahl der tragenden Seile.

F = FG / n;   s = n · h;   FG = m · g

Goldene Regel der Mechanik: Was du an Kraft sparst, zahlst du mit Weg. Die Arbeit W = F · s bleibt (ideal) gleich: F · s = FG · h.

Was die Rollen kosten: Wirkungsgrad

Echte Rollen haben Lagerreibung, und das Seil muss gebogen werden. Darum brauchst du etwas mehr Kraft: F = FG / (n · ηges). Im Lernmodell gilt vereinfacht ηges = ηRolle hoch Rollenzahl. Vier Rollen mit je 0,95 ergeben ηges ≈ 0,81 – rund 23 % mehr Kraft als ideal. Das liegt auf der sicheren Seite: Genauer trägt jede Rolle nur einen Teil der Last, die Seilkraft nimmt von Rolle zu Rolle um den Faktor η ab – dann sind es rund 14 %. Für echte Hebezeuge gelten Hersteller- und Tabellenwerte. Die zusätzliche Arbeit wird zu Wärme.

In der Werkstatt gilt: Hebezeuge nur mit Unterweisung und bis zur angegebenen Tragfähigkeit verwenden, vorher auf Schäden prüfen und nie unter die schwebende Last treten.

Im Labor ausprobieren →

Schiefe Ebene: Gewichtskraft zerlegen

Die Gewichtskraft FG zeigt senkrecht nach unten. Auf der Rampe zerlegst du sie in zwei Teile: die Hangabtriebskraft FH parallel zur Ebene (sie zieht den Körper hinunter) und die Normalkraft FN senkrecht zur Ebene (sie drückt ihn an).

FH = FG · sin α;   FN = FG · cos α;   FR = μ · FN

Zugkraft parallel zur Ebene: hinaufziehen F = FH + μG · FN. Halten: Die Haftreibung hilft mit, F = FH − μH · FN, aber nie weniger als 0. Hinunterlassen: Bremskraft F = FH − μG · FN.

Bleibt der Körper von selbst liegen? Ja, solange FH ≤ μH · FN. Setzt du die Formeln ein, kürzt sich FG heraus: tan α ≤ μH. Die Masse spielt also keine Rolle. Der Grenzwinkel ist α = arctan μH – bei μH = 0,5 etwa 26,6°.

Auch hier gilt die goldene Regel: ohne Reibung F · l = FG · h (l = Länge der Rampe, h = Höhe). Flachere Rampe: weniger Kraft, längerer Weg.

Schiefe Ebene im Alltag: Keil und Schraube

Keil: zwei schiefe Ebenen Rücken an Rücken, etwa beim Spaltkeil oder Meißel. Eine Kraft auf den Rücken drückt die Flanken mit viel größerer Kraft auseinander – je schlanker der Keil, desto mehr.

Schraube: eine schiefe Ebene, um einen Zylinder gewickelt. Die Steigung Ph ist der Weg pro Umdrehung – beim eingängigen Gewinde gleich der Teilung P. Kleine Steigung: wenig Umfangskraft, große Spannkraft. Befestigungsgewinde sind unter ruhender Last selbsthemmend – die Reibung hält sie, ähnlich wie bei tan α ≤ μH. Bei Schwingungen können sie sich trotzdem lösen; dagegen helfen richtige Vorspannung und Schraubensicherung. Gewinde weiterlernen →

Im Labor ausprobieren →

Haftreibung und Gleitreibung

Die Reibkraft wirkt in der Berührfläche immer gegen die Bewegung oder gegen die Bewegung, die gerade beginnen will. Sie hängt von der Normalkraft und der Werkstoffpaarung ab, im einfachen Modell aber nicht von der Größe der Auflagefläche.

FHaft = μH · FN;   FGleit = μG · FN;   waagrecht: FN = FG = m · g

Solange der Klotz ruht, ist die Haftreibung genau so groß wie deine Zugkraft – höchstens FHaft. Erst darüber bricht er los. Danach bremst nur noch die kleinere Gleitreibung (μG < μH). Die Restkraft beschleunigt ihn: a = (F − FGleit) / m.

Reibungszahlen – typische Richtwerte im Lernmodell
WerkstoffpaarungμHμGBandbreite

Je nach Oberfläche, Schmierung, Temperatur und Feuchte schwanken die Werte stark. Für Berechnungen nimm die Werte aus deinem Tabellenbuch.

Reibung ist nicht nur lästig: Bremsen, Riementriebe und Schraubenverbindungen brauchen sie. In Lagern und Führungen soll sie dagegen klein bleiben – dort hilft Schmierung. Lager & Schmierung →

Im Labor ausprobieren →

Einheiten und Merksätze

  • Kraft F in N (Newton): 1 N = 1 kg · m/s². Gewichtskraft FG = m · g mit g = 9,81 m/s². Eine Masse von 1 kg hat also rund 9,81 N Gewichtskraft.
  • Weg s, Höhe h, Länge l in m. Arbeit W = F · s in J (Joule): 1 J = 1 N · m.
  • Wirkungsgrad η und Reibungszahl μ haben keine Einheit.
  • Winkel α in Grad – stell den Taschenrechner auf DEG.

Zum Merken

  • Kraft sparen kostet Weg. Arbeit sparst du mit keiner Maschine.
  • Steilere Rampe: FH wächst, FN und damit die Reibung sinken.
  • Losreißen braucht mehr Kraft als Weiterziehen.
  • Reibung hängt von FN und μ ab, im Modell nicht von der Auflagefläche.
Selbst anwenden

Aufgaben von Rookie bis Profi

Je Station drei Aufgaben. Rechne mit g = 9,81 m/s², gib das Ergebnis mit Komma oder Punkt ein. Nach einem Fehlversuch bekommst du Hilfe und kannst den Lösungsweg aufklappen. Es wird nichts gespeichert.