Strukturen und Mechanismen: Grundlagen der Technik

Strukturen

Grundlagen

Kraft

Kraft: Ist alles, was einen Körper verformen oder seinen Zustand der Bewegung oder Ruhe ändern kann.

Strukturen (Definition)

Strukturen: Die Gesamtheit der Elemente eines Körpers, die die auf ihn wirkenden Kräfte aufnehmen. Sie verhindern, dass der Körper bricht oder sich verformt.

Belastungen

Belastungen: Die Kräfte, die auf eine Struktur wirken. Es gibt zwei Arten:

• Permanente Belastungen: Ändern sich im Laufe der Zeit nicht.
• Variable Belastungen: Ändern sich im Laufe der Zeit.

Beanspruchungen

Beanspruchungen: Die innere Spannung, der alle Körper durch eine oder mehrere Kräfte ausgesetzt sind. Es gibt fünf Arten:

• Zug: Kräfte, die den Körper, auf den sie wirken, strecken. Sie wirken nach außen gerichtet im Körper.
• Druck: Kräfte, die einen Körper zerdrücken oder komprimieren. Sie wirken nach innen gerichtet im Körper.
• Biegung: Kräfte, die das Element, auf das sie angewendet werden, biegen.
• Torsion (Verdrehung): Die Drehkraft, die auf das Element wirkt.
• Schub (Scherung): Kräfte, die wie die Kanten einer Schere wirken. Eine wirkt nach oben, die andere nach unten.

Eigenschaften von Strukturen

Eine Struktur muss drei Bedingungen erfüllen:

• Stabilität: Die Fähigkeit einer Struktur, aufrecht zu bleiben.
• Widerstandsfähigkeit: Die Fähigkeit einer Struktur, den Belastungen standzuhalten, denen sie unterworfen ist, ohne zu brechen.
• Steifigkeit: Wenn eine Kraft auf ein Objekt angewendet wird, verformt es sich leicht, sollte sich aber nicht so stark verformen, dass es seine Funktion nicht mehr erfüllen kann.

Arten von Strukturen

Es gibt zwei Arten:

Natürliche Strukturen

Natürliche Strukturen sind solche, die nicht vom Menschen geschaffen wurden.

Künstliche Strukturen

Künstliche Strukturen werden vom Menschen geschaffen. Es gibt verschiedene Arten:

• Massiv- und Stützstrukturen

  Bestehen aus viel Material und nehmen hauptsächlich Druckkräfte auf. Sie haben nur kleine Öffnungen.

• Gewölbe

  Basieren auf dem Bogen und dem Gewölbe. Sie können große Spannweiten überbrücken. Typen: Rundbogen, Spitzbogen, Hufeisenbogen, Kielbogen.

• Fachwerke

  Bestehen aus Stäben (oft aus Stahl oder Beton), die starr verbunden sind und ein Gitter bilden. Sie sind in modernen Gebäuden sehr verbreitet.

• Dreieckskonstruktionen

  Verwenden Stäbe oder Balken. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit und geringes Gewicht aus.

• Hänge- oder Schrägseilbrücken

  Ihre Funktion basiert auf der Verwendung von Seilen oder Kabeln.

• Aufblasbare Strukturen

  Enthalten Luft im Inneren, sind leicht und oft abnehmbar.

• Geodätische Kuppeln

  Bestehen aus dreidimensionalen dreieckigen Stäben. Sie kombinieren die Eigenschaften von Gewölben und Fachwerken. Sie sind verformungsarm.

Mechanismen

Grundlagen

Mechanismen: Dienen dazu, Kräfte und Bewegungen von einem antreibenden Element auf ein empfangendes Element zu übertragen und umzuwandeln. Sie ermöglichen es dem Menschen, Aufgaben mit mehr Komfort und weniger Kraftaufwand auszuführen.

Mechanismen zur Bewegungsübertragung

Übertragen Bewegung, Kraft und Leistung von einem Antrieb zu einem anderen Punkt. Es gibt zwei Arten:

Lineare Übertragung

• Rolle

  Ein Rad mit einer Nut, das sich um eine Achse dreht und ein Seil führt. Es gibt zwei Arten:

  • Feste Rolle: Ist fest gelagert. Sie dient dazu, Lasten mit Leichtigkeit zu heben und zu senken (ändert die Kraftrichtung).
  • Lose Rolle: Es gibt eine feste und eine lose Rolle, die sich linear bewegen kann. Der Kraftaufwand wird halbiert.

• Flaschenzug

  Besteht aus mehreren Rollen (festen und losen). Wenn die Anzahl der Rollen erhöht wird, verringert sich der Kraftaufwand.

• Hebel

  Ein starrer Stab, der sich um einen Drehpunkt dreht. (Hebelgesetz: Kraft x Kraftarm = Last x Lastarm). Hebelarten:

  • Hebel 1. Art: Der Drehpunkt liegt zwischen Kraft und Last.
  • Hebel 2. Art: Die Last liegt zwischen Drehpunkt und Kraft.
  • Hebel 3. Art: Die Kraft liegt zwischen Drehpunkt und Last.

Rotierende Übertragung

• Reibräder / Zahnräder

  Bestehen aus zwei oder mehr Rädern, die in Kontakt stehen, entweder direkt oder über einen Riemen/Kette.

  • Reibräder: Zwei oder mehr Räder in direktem Kontakt. Rad 1 verursacht die Bewegung von Rad 2. Die Räder drehen sich in entgegengesetzte Richtungen.
  • Riemengetriebe: Eine Reihe von Rollen oder Rädern in einem Abstand, deren Achsen parallel sind und die sich gleichzeitig durch die Wirkung eines Riemens drehen.

• Zahnräder (spezifisch)

  Radsätze mit hervorstehenden Zähnen gleicher Form und Größe.

• Kettengetriebe

  Besteht aus 2 Zahnrädern in einem Abstand, die sich gleichzeitig drehen. Durch die Wirkung einer Kette sind beide ausgerichtet.

Mechanismen zur Bewegungsumwandlung

Wandeln eine Kreisbewegung in eine lineare Bewegung um oder umgekehrt.

• Kurbelgetriebe oder Winde

  Eine Kurbel ist ein Hebel, der an einer Welle befestigt ist, um diese zu drehen. Die Winde ist eine Trommel, die sich um ihre Achse dreht, um ein Objekt zu ziehen.

• Zahnstange

  Besteht aus einem Zahnrad (Ritzel) und einer geraden Zahnstange. Wenn sich das Ritzel dreht, bewegt sich die Zahnstange geradlinig.

• Kurbelschwinge / Schubkurbelgetriebe

  Besteht aus einer Kurbel und einer Stange (Pleuel). Wenn sich das Rad (Kurbel) dreht, gibt die Kurbel eine Kreisbewegung an die Stange (Pleuel), die eine hin- und hergehende (lineare oder schwingende) Bewegung ausführt.

Weitere Mechanismen

• Klinke

  Ermöglicht eine Drehung in eine Richtung und verhindert sie in die entgegengesetzte Richtung.

• Federn

  Speichern Energie, wenn eine Kraft auf sie wirkt. Sie geben die Energie später wieder ab. Sie können auf Zug, Druck oder Torsion beansprucht werden.