Maschinen, Mechanik und Elektrizität: Grundlagen, Hebel, Widerstand und Sicherungen

Grundlagen der Maschinen und Mechanik

Maschinen (einfache Maschinen): Rolle, Hebel, schiefe Ebene, Keil, Rad und Achse, Schraube, Flaschenzug.

Kraft-Weg-Regel: Gleiche Energie, Erhaltungssatz der Energie: Gewinn an Kraft bedeutet Verlust an Weg.

Hebel

Ein starrer, auf einem Drehpunkt (Auflager) gelagerter Körper.

Rolle

Feste Rolle: Eine Drehachse, die Kraft wird umgelenkt. Lose Rolle: Zwei Hebelarme, die Kraft wird halbiert.

Schiefe Ebene

Maschine zum Heben von Lasten mit geringerer Kraft über einen längeren Weg.

Schraube

Schiefe Ebene, die sich um einen Zylinder windet.

Differenzialflaschenzug

Variante mit zwei Zylindern unterschiedlicher Durchmesser und einer Kette.

Keil

Zwei schiefe Ebenen, die zur Krafterzeugung oder Trennung dienen.

Maschine und Mechanismus

Maschine: System aus Teilen, das eine bestimmte Funktion erfüllt. Mechanismus: Verbindung mechanischer Elemente zur Übertragung von Bewegungen und Kräften; er bildet einen Teil einer Maschine.

Teilgebiete der Mechanik

• Statik: Kräfte und Gleichgewicht.
• Kinetik / Dynamik: Bewegungen und die Kräfte, die sie verursachen.

Gleichgewichtsbedingungen

1. Newtonsches Gesetz, Punktmasse: Summe aller Kräfte = 0.

Starrer Körper: Summe aller Kräfte = 0 und Summe aller Momente = 0.

Moment: Vektorprodukt aus Ortsvektor und Kraft bezüglich eines Bezugspunktes.

Kräftepaar: Zwei parallele, gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kräfte mit unterschiedlichen Wirkungslinien. Das Moment heißt Drehmoment.

Freischneiden

Beim Freischneiden wird der Körper von seinen Verbindungen getrennt, die Kontaktkräfte und alle weiteren Kräfte werden eingezeichnet.

Elektrischer Widerstand

Widerstand: Hemmung des Stromflusses durch ein Material. Er hängt von der Anordnung der Elektronen auf der äußeren Bahn ab.

Spezifischer Widerstand (Resistivität): Elektrischer Widerstand eines Leiters mit 1 m Länge und 1 m² Querschnitt.

Berechnung: R = ρ · 2l / A, wobei l die Länge und A der Querschnitt ist.

Stromdichte

Stromstärke pro Querschnittsfläche: J = I / A. Die maximal zulässige Stromdichte hängt von den Bedingungen des Leiters ab.

• Leiter in Luft führen Wärme besser ab als Leiter im Erdreich.
• Die Wärmeabgabe ist proportional zur Oberfläche.

Spannungsabfall und Verlustleistung

Der Spannungsabfall ist proportional zum Widerstand und zur Stromstärke. Die Verlustleistung wird als Wärme abgegeben.

Richtwerte für den maximalen Spannungsabfall: 3 % bei Beleuchtung und Steckdosen, 5 % bei Motoren, Öfen und allgemeinen Antrieben.

Joule-Effekt

Elektronen stoßen auf ihrem Weg mit den Atomen des Materials zusammen. Dabei wird ein Teil ihrer kinetischen Energie in thermische Energie umgewandelt.

Joulesches Gesetz: Die Wärmemenge in einem Leiter ist proportional zum Widerstand, zum Quadrat der Stromstärke und zur Zeit.

Überstrom, Kurzschluss und Überlast

• Überstrom: Stromstärke über dem Nennwert, im Normalbetrieb eines Stromkreises.
• Kurzschluss: Verbindung zweier oder mehrerer Punkte eines Stromkreises mit vernachlässigbarem Widerstand, meist durch einen Isolationsfehler.
• Überlast: Betriebszustand, der durch einen Fehler eine zu hohe Stromstärke verursacht.

Sicherungen

Eine Sicherung ist ein Schutzgerät, das den Stromkreis unterbricht, indem ein dafür ausgelegtes Element durchschmilzt.

Sicherungstypen

• Klasse G: Schutz von Stromkreisen gegen Überlast und Kurzschluss.
• Klasse A: Schutz von Transformatoren und Motoren.
• Geräteschutzsicherungen (G): Zylindrische Sicherungen, deren Element in einem Glasgehäuse geschützt ist. Sie dienen dem Überlastschutz kleiner elektronischer Geräte und Geräte mit Kurzschlussschutz.