Das 'inoffizielle' LEGO®-Technic-Buch: Kreative Bautechniken für realistische Modelle (German Edition)

nach unten ausgeübt, so wird die Last angehoben.
    Wenn ein Hebel eine mechanische Kraftverstärkung bietet, wird die Eingangskraft verstärkt. Diese Verstärkung hat jedoch wie bei allen anderen einfachen Maschinen ihren Preis. Ein Hebel mit einer Kraftverstärkung von 2 erlaubt es uns, zum Anheben einer Last nur die halbe Kraft aufzuwenden wie ohne den Hebel. Allerdings können wir die Last damit auch nur über die halbe Strecke anheben (also mit halber Geschwindigkeit).
    Die Kraftverstärkung des Hebels hängt von der Länge der Arme, der Last und der Kraft ab. Das sogenannte
Hebelgesetz
besagt, dass die Kraftverstärkung eines Hebels dem Quotienten
d
k
/d
l entspricht, wobei
d
k die Länge des Kraftarms ist (der Abstand zwischen der ansetzenden Kraft und dem Drehpunkt) und
d
l die Länge des Lastarms (Abstand zwischen Last und Drehpunkt). Bei dem Hebel in Abbildung 7-2 beträgt
d
k (blauer Pfeil) 5 Noppenlängen,
d
l (roter Pfeil) dagegen drei Noppenlängen. Als Kraftverstärkung des Hebels ergibt sich also 5/3 = 1,67. Um eine Last von 1 kg mit diesem Hebel um 1 m anzuheben, müssen wir also die gleiche Kraft anwenden, wie es ohne Hebel für eine Last von 0,6 kg nötig wäre. Dafür müssen wir das Ende des Hebels jedoch um 1,67 m nach unten drücken. Die Kraftverstärkung ist trotzdem nützlich, denn Zeit haben wir genug, während unsere Kraft begrenzt ist.

    Abbildung 7-2: Dieser Hebel bietet eine Kraftverstärkung von 5/3 oder 1,67, da der Kraftarm fünf Noppen lang ist, der Lastarm aber nur drei Noppen.
    Das Hebelgesetz besagt auch, dass die Kraft auf einem Arm
umgekehrt proportional
zu dessen Länge ist. Daher ist zur Bewegung eines Hebels umso weniger Kraft erforderlich, je länger der Kraftarm ist. Bei einem Kraftarm von 3 Noppen Länge brauchst du zweimal so viel Kraft zum Anheben derselben Last wie bei einem Kraftarm von 6 Noppen Länge (bei gleich langem Lastarm). Dafür aber hebt der 6-Noppen-Arm die Last nur halb so hoch.
    Abbildung 7-3 zeigt das Verhältnis von Armlänge und Kraft. Der abgebildete Hebel hat einen Arm von drei und einen von sieben Noppen Länge. Wenn wir Kraft auf den langen Arm anwenden, bietet der Hebel eine Verstärkung von 2,33 (7/3). Umgekehrt ergibt sich eine Verstärkung von 0,43 (3/7) – wir müssen also mehr Kraft aufwenden als ohne den Hebel! Bei einer Last von 1 kg auf dem langen und von 2,33 kg auf dem kurzen Arm ist der Hebel ausbalanciert.
    Sind Kraftarm und Lastarm gleich lang (
d
k =
d
l ), ergibt sich eine Kraftverstärkung um den Faktor 1. Es wird also keine Kraft verstärkt. Die erforderliche Kraft und die Weglänge bleiben gleich. Ein solcher Hebel kann jedoch immer noch nutzbringend eingesetzt werden, da er die Bewegungsrichtung umkehrt (durch Niederdrücken des einen Endes wird das andere angehoben).
    Der Balken eines Hebels muss nicht unbedingt gerade sein, sondern funktioniert auch in gebogenem Zustand genauso gut. Ein einfaches L-Stück ist ein gutes Beispiel für einen gebogenen Hebel (siehe Abbildung 7-4 ). Dieses Element verfügt über einen langen und einen kurzen Arm und kann an der Knickstelle auf den Boden gestellt werden, sodass sie als Drehpunkt fungiert. Wenn wir den kurzen Arm unter die Last schieben, können wir den langen Arm nutzen, um diese Last mit weniger Kraft anzuheben, als ohne das L-Stück erforderlich wäre.

    Abbildung 7-3: Dieser Hebel bietet eine Kraftverstärkung von 2,33, da der Kraftarm um den Faktor 2,33 länger ist als der Lastarm. Eine Last, die du am Ende des langen Arms anbringst, kann daher die 2,33-fache Last am anderen Ende ausbalancieren.
Arten von Hebeln
    Drehpunkt, Last und Kraft können auf einem Hebel unterschiedliche Positionen einnehmen. Es gibt drei mögliche Kombinationen oder
Klassen
. Zum Glück ist das Hebelgesetz für alle Klassen gleich, sodass wir die mechanische Kraftverstärkung stets auf dieselbe Weise berechnen können.
    Es gibt folgende Klassen:
    Klasse 1 (siehe Abbildung 7-5 ). Der Drehpunkt befindet sich in der Mitte des Hebels, Last und Kraft an den Enden. Dieser
zweiseitige Hebel
ist die einzige Klasse, bei der Last und Kraft in entgegengesetzter Richtung wirken (d.h., um die Last zu heben, musst du die Kraft nach unten anwenden). Beispiele dafür sind eine Wippe oder ein Kuhfuß.
    Klasse 2 (siehe Abbildung 7-6 und 7-7 ). Last befindet sich in der Mitte des Hebels, Drehpunkt und Kraft an den Enden. Ein Beispiel dafür ist eine Schubkarre, bei der das Rad als Drehpunkt fungiert.
    Klasse 3 (siehe