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Einfache Maschinen – Rollen, schiefe Ebene, Wellrad, Schraubenwinde und Zahnräder

PhysikEnergie und ImpulsAlter 15–16Virtuelles Labor

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Ein virtueller Versuchsstand für einfache Maschinen: feste und lose Rolle, Flaschenzug, schiefe Ebene, Wellrad, Schraubenwinde und Zahnradwinde. Stellen Sie Last, Reibung und Rollenmasse ein, ziehen Sie mit einem Federkraftmesser und messen Sie, wie weit sich Zugkraft und Last bewegen. Die Simulation berechnet Kraftverhältnis, Wegverhältnis und Wirkungsgrad; ein Arbeitsbalken zeigt, dass die Nutzarbeit nie größer als die aufgewendete Arbeit ist.

Lektion: Einfache Maschinen: Kraftverhältnis, Wegverhältnis und Wirkungsgrad

Was sie zeigt

Mit einer einfachen Maschine hebt eine kleine Zugkraft E eine große Last L. Das Kraftverhältnis KV = L/E vergleicht die Kräfte, das Wegverhältnis WV = dE/dL vergleicht die zurückgelegten Wege und hängt nur von der Bauform ab. Der Wirkungsgrad ist KV/WV, also die Nutzarbeit L·dL geteilt durch die aufgewendete Arbeit E·dE. Reibung in Rollen, Lagern und Gewinden sowie das Mitheben der losen Rollen kosten Energie, daher ist die Nutzarbeit immer kleiner als die aufgewendete Arbeit. Seile gelten als leicht und undehnbar. Hebel behandelt die Simulation Hebel und Drehmoment.

So funktioniert es

Wählen Sie einen Maschinen-Reiter, stellen Sie Masse der Last m und die Reibung ein und klicken Sie auf Ziehen (Kurbel drehen bei Schraubenwinde und Zahnradwinde). Lesen Sie Kraftmesser und Maßstäbe ab: Jeder Hub fügt eine Zeile mit L, E, dL, dE, KV, WV und Wirkungsgrad hinzu. Ändern Sie bei den Rollen Tragende Seilstücke n und die Rollenmasse und erhöhen Sie die Last, um im Diagramm den Wirkungsgrad zu verfolgen.

Einstellbare Parameter

  • Maschine Rollen, Schiefe Ebene, Wellrad, Schraubenwinde, Zahnradwinde
  • Rollensystem Feste Rolle, Lose Rolle, Flaschenzug
  • Tragende Seilstücke des Flaschenzugs 2–6
  • Masse der Last 1–100 kg
  • Masse jeder losen Rolle 0–2 kg
  • Reibungsverlust je Rolle, Lager oder Zahneingriff 0–15 %
  • Neigungswinkel 5–60 °
  • Reibungszahl (schiefe Ebene, Gewinde) 0–0,6
  • Radradius 10–60 cm
  • Wellenradius 2–20 cm
  • Gewindesteigung 2–12 mm
  • Kurbellänge 10–60 cm
  • Zähne des Ritzels 8–40
  • Zähne des großen Zahnrads 12–96

Fragen zum Erkunden

  1. Warum hat ein Flaschenzug bei schwerer Last einen höheren Wirkungsgrad als bei leichter Last?
  2. Wie ändert sich das Wegverhältnis einer schiefen Ebene, wenn sie steiler wird?
  3. Warum kann keine reale Maschine einen Wirkungsgrad von 100 % haben?

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