Arbeitsblatt: Hebel und Rollen

PHYSIK Mechanik III Einfache Maschinen Hebel Feste und lose Rollen Name: Bezirksschule Dottikon Skript im Fach Physik Schuljahr 2021/22 Lehrperson: Klasse: B2b Kreisschule Maiengrün Physik Einfache Maschinen Was ist ein Leitprogramm? Es ist wichtig, dass man sich selber Wissen aneignen kann und selbständiges Arbeiten gewöhnt ist. Dieses Leitprogramm enthält alle notwendigen Übungen, Unterrichtsinhalte, Tests und Lernziele, damit du ohne die Lehrperson neues Wissen erlangen kannst. Arbeite das folgende Leitprogramm Schritt für Schritt durch. Notiere ins Heft Dinge, die du noch nicht verstanden hast. Offene Fragen besprechen wir in der nächsten Lektion gemeinsam. Den folgenden Symbolen wirst du begegnen. Hier eine Übersicht, damit du weisst, was sie bedeuten: Informationen Übungen Informationen verarbeiten Lernziele Test zur Selbstüberprüfung Einfache Maschinen Auftrag: Lies den folgenden Text aufmerksam durch. Markiere mit dem Leuchtstift Sätze, die dir wichtig erscheinen. Unter einer Maschine verstehen wir ein Gerät, eine Vorrichtung oder ein Werkzeug, dass gebraucht wird, um Arbeit zu leisten. Dabei wird die Arbeit erleichtert oder die Richtung der Kraft, mit der die Arbeit geleistet wird, wird geändert. Ohne Maschinen wäre unser Leben nicht mehr vorstellbar. Schon die ersten Menschen benützten Knochen, Holz und Steine als Werkzeuge, um ihre Kraft zu erweitern oder zu verfeinern. Im erweiterten Sinn kann man somit auch die Steinzeitmenschen als Benützer von Maschinen benennen. Dabei kann man die benützten Maschinen in sechs Grundformen einteilen, die auch heute noch in modernen, komplizierten Maschinen zu finden sind: 1. Der Hebel 2. die schiefe Ebene 3. der Keil 4. die Schraube 5. das Rad mit Achse 6. die Rolle Wir werden diesen sechs Grundformen der Maschinen immer wieder begegnen. In diesem Leitprogramm wirst du dich mit dem Hebel näher auseinandersetzen. 2 Kreisschule Maiengrün Physik Hebel Auftrag: Lies die folgenden Texte, Informationen genau durch. Fülle die einzelnen Aufgabestellungen aus. Wir werden die einzelnen Aufgaben in der nächsten Lektion besprechen. Ein starrer Körper, der sich um eine Achse drehen lässt, wird als Hebel bezeichnet. Da man mit diesen Geräten auch Lasten heben kann, nennt man sie Hebel. Auf der folgenden Skizze siehst du einige Hebel abgebildet. Hebel kommen in unserem Alltag an vielen Orten vor. Hebel helfen uns im Alltag Muskelkraft zu sparen und die Arbeit zu erleichtern!!! Notiere hier mindestens 5 Beispiele für Hebel, die in unserem Alltag vorkommen. Die Bilder helfen dir, du kannst aber auch andere Beispiele nennen. Man unterscheidet zweiseitige und einseitige Hebel (auch einarmiger bzw. zweiarmiger Hebel genannt). Die gemeinsamen Merkmale aller Hebel sind: Alle Hebel haben zwei Hebelarme (l1 und l2) und einen Drehpunkt (D). Die Hebelarme werden als Lastarm und Kraftarm bezeichnet. Merke dir, dass in der Regel der Lastarm im Vergleich mit dem Kraftarm immer der kürzere Hebelarm ist. Auf einen Hebel wirken normalerweise zwei Kräfte (F 1 und F2). Jede dieser Kräfte versucht, den Hebel im Drehpunkt zu drehen, das heisst eine Drehwirkung hervorzurufen. Diese Drehwirkung heisst Drehmoment (M). Mit Hebeln kann man Betrag, Richtung oder Angriffspunkt einer Kraft ändern. 3 Kreisschule Maiengrün Physik Zweiseitiger Hebel Auf der folgenden Abbildung siehst du eine Wippe. Die Wippe ist ein zweiseitiger Hebel. Wenn der Drehpunkt zwischen den beiden Hebelarmen liegt, nennt man das Gerät einen zweiseitigen Hebel. Die im Text erwähnten Begriffe musst du ab heute kennen. Fülle dazu die Legende aus.Drehpunkt F1Kraft 1 Last F2Kraft 2 l2 l1 l1 l2 Anmerkung: Die Hebelarme stehen senkrecht zur Kraftrichtung. Einseitiger Hebel Wenn die beiden Hebelarme (Kraftarm und Lastarm) auf der gleichen Seite des Drehpunktes liegen, handel es sich um einen einseitiger Hebel. Die Person in der untenstehenden Skizze versucht, mit einem Holzstab als Hebel den Schrank anzuheben. Betrachte die Skizze genau, denn der Drehpunkt M, die Kraftarme (hier 1 und a2) und die Kräfte sind bereits eingezeichnet. 4 Kreisschule Maiengrün Physik Aufgaben: 1. Zeichne zu den folgenden beiden Hebeln den kurzen und den langen Hebelarm und die Drehachse (Drehpunkt) in drei unterschiedlichen Farben ein. 2. Schreib zu den einseitigen Hebeln eine „1 und zu den zweiseitigen Hebeln eine „2. 5 Kreisschule Maiengrün Physik Lernziele Lies die folgenden Lernziele genau durch. Wenn du das Gefühl hast, dass du diese Lernziele erfüllst, darfst du den Test zur Selbstüberprüfung ausfüllen. Du kannst den Unterschied zwischen einem einarmigen und einem zweiarmigen Hebel erklären. Du weisst, was die folgenden Begriffe bedeuten und kennst deren Abkürzungen: Kraftarm (l2), Lastarm (l1), Drehpunkt (D), Drehmoment (M), Kräfte F1 und F2. Du kannst die Abbildung eines Hebels mit den oben genannten Begriffen beschriften. Test zur Selbstüberprüfung: Hebel Auftrag: Beantworte die folgenden fünf Fragen schriftlich. Wenn du alle Fragen alleine beantwortet hast, kannst du die Aufgaben mit Hilfe der Lösungen korrigieren. 1. Frage: Welche der Hebel in den Bildern a. bis c. sind einseitig, welche zweiseitig? a. Nussknacker b. Geissfuss: Mit dem Geissfuss kann man dicke Nägel herausziehen oder Kisten öffnen. c. Tretkurbel und Kettenrad Antwort: a. Hebel b. Hebel c. Hebel 2. Frage: Worin liegt der Unterschied zwischen einem einseitigen und einem zweiseitigen Hebel? 6 Kreisschule Maiengrün Physik 3. Frage: Das folgende Gerät wird absichtlich weit hinten gehalten, damit der Kraftarm länger wird. Mit diesem „Trick kann man auch dicke Drähte durchschneiden. Vervollständige den Satz: „Je länger der Kraftarm, desto_ . 4. Frage: In den folgenden Bildern wird ein und dieselbe Schnur auf zweierlei Art und Weise zerschnitten. Überlege dir, wie es am leichtesten geht. Du darfst dies natürlich auch ausprobieren. Versuche zu begründen. 5. Frage: Alle Geräte in den Bildern 1 bis 4 helfen dem Menschen seine Kraft besser einzusetzen. Stimmt das? a) Welche Bilder zeigen Hebel? 7 Kreisschule Maiengrün b) Welche dieser Hebel sind einseitig? Physik Hebelgesetz Auftrag: Lies die folgenden Texte, Informationen genau durch. Fülle die einzelnen Aufgabestellungen aus. Wir werden die einzelnen Aufgaben in der nächsten Lektion besprechen. In diesem Kapitel lernst du das Hebelgesetz kennen. Das Hebelgesetz wird dir an Hand des folgenden Beispiels erklärt: Stell dir die selbstverständlich unmögliche Situation vor, dass ein Esel und ein Kaninchen gemeinsam auf einer Wippe, wie du sie vom Spielplatz kennst, sitzen. Diese Wippe ist nichts anderes als ein Hebel. Der Esel weisst natürlich die grössere Masse auf, als das Kaninchen. Folglich wirkt auf den Esel eine grössere Gewichtskraft. Das Kaninchen will die Wippe nach links bewegen, der Esel nach rechts. Betrachte hier die beschriebene Situation und beachte die Legende: l1: Lastarm l2: Kraftarm F1: Gewichtskraft, die auf Esel wirkt F2: Gewichtskraft, die auf das l2 l1 Kaninchen wirkt. Die Kraft F1 wie auch die Kraft F2 wollen den Hebel (die Wippe) in Drehung versetzen, die eine Kraft rechts herum, die andere links herum. Sind diese Drehwirkungen gleich gross, so bleibt der Hebel stehen, es herrscht Gleichgewicht. Wir halten fest: In unserem Beispiel übt der Esel die grössere Kraft auf die Wippe aus im Vergleich mit dem Kaninchen. Die Drehwirkung, die eine Kraft auf einen Hebel ausübt, ist allerdings nicht nur von der Grösse der Kraft abhängig. Es spielt auch eine Rolle, wo die Kraft ansetzt. Damit kommt der Hebelarm ins Spiel. Eine Kraft, die weit weg vom Drehpunkt ansetzt, kann den Hebel besser in Bewegung versetzen, als eine Kraft, die in der Nähe des Drehpunktes ansetzt. Ein grosser Hebelarm führt also zu einem grossen Drehvermögen. Wir halten fest: Der Hebelarm auf der linken Seite (beim Kaninchen) ist länger als der Hebelarm auf der rechten Seite. Damit können wir versuchen, die Drehwirkung mit einer Grösse, dem Drehmoment M, auszudrücken: Drehmoment (M) Kraft · Hebelarm dieser Kraft Da sowohl die Kraft F1, als auch die Kraft F2 eine Drehwirkung ausüben, müssen wir zwei Drehmomente betrachten: Drehmoment nach rechts: M1 F1 · l1 Drehmoment nach links: M2 F2 · l2 8 Kreisschule Maiengrün Physik Die Einheit des Drehmoments setzt sich aus den Einheiten von Kraft und Hebelarm zusammen: Die Kraft wird in Newton gemessen, der Hebelarm wird in Metern angegeben. Daraus folgt für das Drehmoment die Einheit Newtonmeter. Drehmomente kannst du nun mit Hilfe der oben genannten Formel berechnen. Forme die beiden Formeln um, damit du nicht nur Drehmomente, sondern auch Kräfte oder Hebelarme berechnen kannst: Zum Beispiel: F1 M1 Drehmoment l1 Kraftarm l1 F2 l2 Das Hebelgesetz lautet nun folgendermassen: Am Hebel herrscht Gleichgewicht, wenn gilt: Kraft1 · Kraftarm1 Kraft2 · Kraftarm2 F1 · l1 F2 · l2 Lies die folgenden Lernziele genau durch. Wenn du das Gefühl hast, dass du diese Lernziele erfüllst, darfst du den Test zur Selbstüberprüfung ausfüllen. Du kannst Drehmomente nach rechts und links mit Hilfe der Formel berechnen. Du kennst die Einheit für Drehmomente. Du kennst das Hebelgesetz. Du weisst, dass die Drehwirkung sowohl von der Grösse einer Kraft als auch von der Länge des Kraftarmes abhängt. Test zur Selbstüberprüfung Auftrag: Beantworte die folgenden Fragen schriftlich ohne die Hilfe des Skriptes. Wenn du alle Fragen alleine beantwortet hast, kannst du deine Lösungen korrigieren. 1. Frage: Ergänze den folgenden Text. Ein Hebel ist genau dann im Gleichgewicht, wenn die Produkte aus und auf beiden Seite der Drehachse sind. 2. Frage: Du möchtest den folgenden Kasten anheben. Mit welchem Hebel ist dies am leichtesten möglich? Mit Stange oder B? Begründe deinen Entscheid! 9 Kreisschule Maiengrün Physik 3. Frage: Betrachte die folgende Situation. Du siehst eine Wippe (zweiseitiger Hebel), auf der Paul (70 kg) und Tom (40 kg) stehen. Fülle den folgenden Lückentext aus: Paul versucht die Wippe nach zu drehen. Tom hingegen versucht die Wippe nach zu drehen. Herrscht hier Gleichgewicht, oder was wird passieren? Antwort: 4. Frage: Ist der folgende Hebel im Gleichgewicht? Tipp: Denke an das Hebelgesetz! Rechne dazu die Drehmomente nach rechts und links aus. Hier kannst du den Kraftarm in Meter ablesen! Hier kannst du den Hebelarm in der Einheit Meter ablesen. FG 20N FG 40N 5. Frage: Ermittle die Kraft, mit der der Tischlerhammer den Nagel aus dem Holz zieht, wenn die Kraft der Hand 50 beträgt. Entnimm die fehlenden Grössen aus der Zeichnung. 10 Kreisschule Maiengrün Physik 6. Frage: Berechne die fehlenden Werte im Kopf. (Hebel jeweils im Gleichgewicht) F1 12N l1 0,4m 0,15 kN 0,5 F2 l2 2N 600 10 cm 134 50 mm 7. Frage: Die Abbildung zeigt einen Flaschenöffner. a) Um was für einen Hebel handelt es sich? b) Um wie viel wird durch den Flaschenöffner die Kraft der Hand vergrössert? 11 Kreisschule Maiengrün 8. Frage: Physik a) b) c) d) e) 12 Kreisschule Maiengrün Physik Weitere Aufgaben zum Hebelgesetz Feste und lose Rollen 13 Kreisschule Maiengrün Folgende Geräte zum Einsparen von Kraft hast du schon kennen gelernt: Physik Den einseitigen Hebel und den zweiseitigen Hebel. Auch Rollen können helfen, bei der Arbeit seine Kraft zu sparen: Feste Rolle Mit Hilfe einer festen Rolle und eines Seils, kann man die Richtung einer Kraft ändern. 6 kg 0,5 Lose Rolle 0,5 6 kg Aber: Wenn die Hand das Seil um 50 cm anhebt, dann steigt die Rolle nur 25 cm hoch! Warum? 14 Kreisschule Maiengrün Physik Lose Rolle und feste Rolle hintereinander Welcher Vorteil kommt hier noch dazu? Man will das Gewicht um 0,5 anheben. Wie viel Seil muss man einziehen? Welche Kraft muss man hier für das 6 kg Gewichtsstück aufwenden? Wie gross ist die Arbeit? 6 kg Der Flaschenzug Beim Flaschenzug läuft ein Seil über 2 lose Rollen. Das sind die 2 Unteren: eine grosse und eine kleine Rolle. Oben hängt die „Flasche (2 feste Rollen) an einem Balken. Die Last verteilt sich so auf 4 Seilstücke. Jedes Seilstück trägt somit der Last. Um die Last 0,5 anzuheben, muss also das Vierfache an Seil: also 2 eingezogen werden. Ein Flaschenzug mit 4 Rollen benötigt nur der Zugkraft! 6 kg 15 Kreisschule Maiengrün Physik Goldene Regel der Mechanik: Was beim Arbeiten mit mechanischen Geräten an Kraft gespart wird, muss an Weg zugesetzt werden. Egal ob beim Hebel, bei der schiefen Ebene, bei der losen Rolle oder beim Flaschenzug. 16