Grundlagen der Mechanik: Maschinen, Hebel, Schiefe Ebene

Grundlagen der Mechanik und Maschinen

Was sind Maschinen und ihre Komponenten?

Eine Maschine besteht aus einer Reihe von Teilen oder Baugruppen (Organen), die jeweils in der Lage sind, die Wirkung einer Kraft (Muskelkraft oder andere Quellen) zu nutzen, umzuwandeln, zu verwalten oder zu regeln, um Menschen bei der Ausführung ihrer täglichen Arbeit zu helfen.

Jede Maschine wird durch eine Reihe von Mechanismen gebildet, die aus zusammengefügten Teilen bestehen, sodass Energie in eine andere Form von Energie umgewandelt werden kann.

Die Werkzeuge (Tools) sind Hilfsmittel für die manuelle Bearbeitung von Materialien.

Wenn diese Werkzeuge an Maschinen angebracht sind, um menschliche Handlungen durch eine Reihe mechanischer Bewegungen zu ersetzen, spricht man von einer Werkzeugmaschine.

Hauptkomponenten einer Maschine

Eine Maschine besteht in erster Linie aus:

• Struktur: Die Struktur einer Maschine besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Elemente, die zur Unterstützung der Mechanismen der Maschine dienen.
• Mechanismen: Sie werden durch eine Reihe miteinander gekoppelter Teile gebildet, die Energie und Kräfte in einer Maschine übertragen, ändern oder regeln.

Arten von Bewegungen in Maschinen

Die Arten von Bewegungen, die eine Maschine im Allgemeinen ausführen kann, sind im Wesentlichen:

• Lineare Bewegung: Ein Objekt bewegt sich auf einer geraden Bahn, indem eine Kraft angewendet wird, die es dazu zwingt.
• Gekrümmte Bewegung: Ein Objekt bewegt sich auf einer gekrümmten Bahn, indem eine Kraft angewendet wird, die es dazu zwingt.
• Wechselbewegung: Eine Bewegung, die in verschiedene Richtungen abwechselt, also eine Bahn, die ein Hin und Her aufweist.

Physikalische Konzepte der Mechanik

• Kraft: Eine Kraft (F) ist alles, was den Zustand der Ruhe oder Bewegung eines Körpers ändern kann. Sie wird in Newton (N) ausgedrückt.
• Arbeit: Die Arbeit (W) ist das Ergebnis, das erzielt wird, indem eine Kraft auf einen Körper angewendet wird, um ihn über eine bestimmte Strecke (Δx) zu bewegen. Sie wird in Joule (J) ausgedrückt.
• Leistung: Die Leistung (P) einer Maschine gibt an, wie viel Arbeit sie pro Zeiteinheit (t) verrichten kann. Sie wird in Watt (W) ausgedrückt.
• Wirkungsgrad: Bei jeder Maschine sind die zugeführte Arbeit (oder Motorarbeit, W_M) und die von der Maschine verrichtete nützliche Arbeit (W_u) nicht gleich, da ein Teil der zugeführten Arbeit in der Regel innerhalb der Maschine in Wärme umgewandelt wird. Der mechanische Wirkungsgrad (η) ist das Verhältnis zwischen der von der Maschine geleisteten nützlichen Arbeit und der für diese Arbeit aufgewendeten Motorarbeit.

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Klassifizierung von Maschinen

Einfache vs. Komplexe Maschinen

Maschinen können einfach sein: Sie nutzen und wandeln im Grunde Muskelkraft um und bilden die Grundlage für die Planung und den Bau von Maschinen. Oder sie können komplexe Maschinen sein, die auf einfachen Maschinen basieren.

Komplexe Maschinen entstehen durch Mechanismen, die die Bewegung von einem Element auf andere Komponenten übertragen, um die Arbeit auszuführen, für die die Maschine konzipiert ist. Es gibt drei Arten von komplexen Maschinen:

• Motorische Maschinen: Diese wandeln mechanische Energie in andere Energieformen um, wie z. B. Wasserkraft oder Strom.
• Generierende Maschinen: Sie nutzen Energiequellen wie Wasserkraft, Wind, fossile Brennstoffe usw. und wandeln sie in Strom um, wie im Fall von Generatoren und Lichtmaschinen.
• Funktionale Maschinen: Dies sind Maschinen, die eine Art von Energie in nützliche Arbeit umwandeln.

Beispiele für Einfache Maschinen

Der Hebel

Ein Hebel ist ein starrer Stab, der sich um einen festen Punkt, den Dreh- und Angelpunkt (oder Stützpunkt), drehen kann.

Durch Anwenden einer relativ kleinen Kraft, genannt Kraft (oder Lastarm), an einem Punkt des Stabes kann diese Kraft einen größeren Widerstand (oder Last) überwinden, der sich an einem anderen Punkt des Stabes befindet. Je näher der Widerstand am Dreh- und Angelpunkt liegt, desto weniger Kraft ist erforderlich.

Arten von Hebeln:

• Hebel erster Art: Der Dreh- und Angelpunkt liegt zwischen Kraft und Widerstand.
• Hebel zweiter Art: Der Widerstand liegt zwischen Kraft und Dreh- und Angelpunkt.
• Hebel dritter Art: Die Kraft liegt zwischen dem Dreh- und Angelpunkt und dem Widerstand (Beispiel: Pinzette).

Die Schiefe Ebene

Die schiefe Ebene ist eine Fläche mit einer bestimmten Neigung zur horizontalen Ebene und dient dazu, ein Objekt mit weniger Aufwand von einer niedrigeren auf eine höhere Ebene zu bewegen, als wenn dasselbe Objekt vertikal angehoben würde.

Die Kraft (F), die erforderlich ist, um ein Gewicht (G) über die Länge (L) der schiefen Ebene von Position A nach B zu bewegen (wobei B eine Höhe (h) über A liegt), wird ohne Berücksichtigung der Reibung durch diesen Ausdruck bestimmt: