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Mass or weight?

Gravitational or inertial mass? Hard metric or soft metric? Interested? Read more…

Überblick

Wenn eine Kraft auf eine bestimmte Weise auf Objekte angewendet wird, drehen sie sich. Diese Tendenz von Objekten, sich unter Einfluss einer Kraft zu drehen, wird Drehmoment genannt. Das Drehmoment hängt von der Kraft und der Distanz zwischen der Achse der Drehung des Objekts und dem Ort ab, wo die Kraft angewendet wird, die die Drehung erzeugt. Die Kraft ist hier ein Vektor, sodass, selbst wenn die Größe die gleiche bleibt, er sich mit der Änderung des Winkels zwischen der Richtung, in der die Kraft angesetzt wird, und dem Hebel ändert. Insbesondere wenn die Kraft, die auf den Hebel wirkt, senkrecht zum Hebel ist, ist die Kraft am stärksten und wird null, wenn die Richtung der Kraft sich parallel an dem Hebel ausrichtet. Im Grunde genommen repräsentiert das Drehmoment, welche Kombination der Größe der Kraft und der Distanz erforderlich ist und in welche Richtung die Kraft angewendet werden muss, um eine bestimmte Drehung zu erzeugen.

Dies ist in der Illustration zu sehen. Hier sind die Kräfte F2, F3 und F5 senkrecht zur Linie, die den Punkt des Kraftansatzes und die Mitte des Steuerruders verbindet. Sie erzeugen ein maximales Drehmoment. Die Kräfte F1 und F4 sind nicht senkrecht zur Linie, die den Punkt des Kraftansatzes und das Zentrum der Drehung verbindet. Daher ist das Drehmoment geringer.

Bei der Ausführung einer bestimmten Aufgabe, die das Drehen eines Objekts mithilfe von Kraft beinhaltet, würde man ein bestimmtes Drehmoment benötigen. Da das sich ergebende Drehmoment von der Größe und der Richtung der Kraft sowie der Distanz von der Drehachse bis zum Kraftansatzpunkt abhängt, kann man entweder die Kraft oder die Distanz ändern, um eine bestimmte Drehmomentgröße zu erhalten. Diese Eigenart wird von den Menschen seit tausenden von Jahren genutzt.

Anwendung des Drehmoments

Im Allgemeinen ist es leichter, die Distanz zwischen Objekt und Punkt des Kraftansatzes als die Kraft an sich zu erhöhen. Wenn die Kraft des Menschen oder Tieres als nicht ausreicht, um eine Aufgabe auszuführen, die Drehung beinhaltet, haben Menschen die Distanz vergrößert, häufig indem sie Hebel oder andere Hilfsmittel ansetzten, um das Drehmoment zu steigern. Um beispielsweise Mehl in einer Mühle zu mahlen oder eine schwere Brücke zu heben, drehten Mensch oder Tier Geräte mit langen Griffen um ihre Achse und steigerten die Kraft von Mensch oder Tier um den Koeffizienten, der gleich der Vergrößerung der Distanz zwischen der Achse des drehenden Objekts und dem Punkt des Kraftansatzes ist.

Fahrradpedale

Ein weiteres Beispiel für die Änderung der Drehkraft ist bei Fahrradpedalen zu finden. Je weiter wir unsere Füße vom Zentrum des Fahrradrades entfernen, desto leichter ist es, es anhand der Pedale zu drehen. Die Länge unserer eigenen Beine ist begrenzt, daher können die Pedale nicht über eine bestimmte Länge hinausreichen, sie erleichtern dennoch, das Fahrrad zu bewegen. Einige Menschen, insbesondere in Entwicklungsländern, in denen moderne Technologie nicht leicht zugänglich oder teuer ist, ändern Fahrradpedale, Räder oder ganze Fahrradrahmen mit zwei Rädern, um manuell betriebene Maschinen zu bauen. Ein Beispiel ist ein mit Händen betätigter Rollstuhl mit Fahrradpedale und recycelten Rollstuhlteilen. In diesen Fällen können die Pedale etwas verlängert werden, um ein größeres Drehmoment zu erhalten. Je nach Design kann eine solche Erweiterung die Betätigung jedoch auch weniger komfortabel machen.

Schraubenschlüssel

Wir verwenden auch Schraubenschlüssel, um das Drehmoment zu erhöhen. Das Konzept eines Schraubenschlüssels liefert für Schraubenmuttern und Bolzen eine gute Haltemöglichkeit und einen langen Griff, um die mit dem Schraubenschlüssel ausgeübte Kraft zu vergrößern. Einige Arbeiten erfordern lediglich einen kleinen Schraubenschlüssel, aber um einen wirklich festsitzenden Bolzen zu bewegen, ist ein Schlüssel mit längerem Griff besser, da dadurch das Drehmoment erhöht wird. Wenn kein Schlüssel verfügbar ist, kann man auch eine Zange verwenden. Die langen Griffe bewirken den gleichen Effekt wie die Griffe eines Schraubenschlüssels, obwohl eine Zange weniger Griffigkeit bietet, und die Mutter oder den Bolzenkopf beschädigen kann.

Ein Schraubenschlüssel ist so konzipiert, dass bei Wahl der richtigen Größe keine zusätzliche Kraft erforderlich ist, um eine Griffigkeit zu erreichen. Bei der Nutzung einer Zange muss man jedoch neben der Kraft zum Drehen des Objekts auch noch Kraft einsetzen, um das Objekt festzuhalten. Daher sind Schraubenschlüssel in vielen Anwendungsbereichen energiesparender. Zangen haben den Vorteil, dass man sie auf die Größe des zu fassenden Objekts anpassen kann. Sie lassen sich auch einfacher bedienen, wenn man aus einem Winkel heraus arbeitet. Das Ansetzen von Kraft mit einem Winkel kann das Drehmoment verringern, kann jedoch erforderlich sein, wenn das zu drehende Objekt ansonsten schwer zu erreichen ist.

Gummiwerkzeuge, die zum Öffnen von Konservengläsern dienen, sind Schraubenschlüsseln ähnlich. Das Gummigreifelement hat nichts mit dem Drehmoment zu tun, verhindert jedoch, dass das Werkzeug vom Deckel rutscht. Der Griff des Werkzeugs erhöht dabei das Drehmoment. Je länger der Griff, desto mehr wird die Anfangskraft erhöht.

Schwungräder

Ein Schwungrad ist ein gutes Beispiel für ein Gerät, dass das Drehmoment zur Erzeugung von Energie verwendet, die dann im Schwungrad zur weiteren Nutzung gespeichert wird. Das Drehmoment erhöht die Geschwindigkeit, mit der sich das Rad dreht und erhöht die gespeicherte Energie. Wenn die Energie benötigt wird, wird das Drehmoment eingesetzt, um die Drehung zu verlangsamen und die Energie wird freigegeben. Diese Geräte sind nützlich, wenn die Energieversorgung nicht durchgängig ist. Sie können dann Energie liefern, wenn die Hauptversorgung vermindert ist. Ein Fahrzeugmotor ist ein gutes Beispiel hierfür. Beim Motor kommt die durch das Verbrennen des Kraftstoffs freigesetzte Energie in Schüben. Das Schwungrad sammelt diese und stellt eine durchgehende Abgabe sicher.

In manchen Fällen wird das Gegenteil benötigt. Schwungräder ermöglichen auch das Freisetzen von größeren Energiemengen, als die Originalquelle bereitstellen kann. In diesem Fall wird die Energie nach und nach gespeichert und in einem Stoß bei Bedarf abgegeben.

Wippen und Hebel

Wenn zwei Menschen auf einer Wippe sitzen, ist ihr Gewicht die Kraft, durch die die Wippe sich bewegt, indem sie sich teilweise um ihren Mittelpunkt dreht. Kinder, die über das gleiche Gewicht verfügen, können ganz leicht wippen, wenn sie etwa gleich weit von der Mitte sitzen. Das funktioniert nicht so leicht bei Kindern, deren Gewicht sehr unterschiedlich ist, da das schwerere Kind die Wippe nach unten drückt und das leichtere Kind anhebt. Das leichtere Kind wäre nicht in der Lage, die Wippe auf seiner Seite herunterzudrücken. Das schwerere Kind erzeugt ein größeres Drehmoment. Um diesem entgegenzuwirken, könnte das schwerere Kind das Drehmoment ausgleichen, indem es näher an der Mitte der Wippe sitzt. Ein Kind, das dreimal schwerer ist, sollte dreimal näher am Drehpunkt sitzen, um ein Gleichgewicht zu gewährleisten.

Hebel funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip: Das Drehmoment kann die für eine Arbeit erforderliche Kraft verringern. Im Allgemeinen ist ein Hebel ein langes Objekt, wie ein Brett oder ein Griff, der um einen Punkt, Dreh- oder Hebelpunkt genannt, dreht. An diesem Hebel wird an einem bestimmten Punkt eine Kraft angesetzt, die dann entweder möglichst vergrößert oder verringert wird, abhängig von der Konstruktion des Hebels und von den Anforderungen der Person, die den Hebel verwendet.

Es gibt drei Arten von Hebeln, die danach definiert sind, wo die Kraft angesetzt wird, in welche Richtung die Kraft wirkt und wo der Drehpunkt sich befindet. In der Regel werden im Deutschen einarmiger (bzw. einseitiger), zweiarmiger und Winkelhebel unterschieden. Es gibt aber auch die Einteilung in drei Klassen, die wir nachfolgend an Beispielen erläutern. In der Technik spricht man von Kraftarm, wo die bewegende Kraft anliegt, und von Lastarm, der an der zu bewegenden Last, die den Widerstand bildet, liegt. Bei einseitigen Hebeln sind Last- und Kraftarm auf der gleichen Seite, wenn sich der Dreh- bzw. Angelpunkt an einem Ende befindet. Versucht man, eine Last mithilfe eines Hebels zu heben, wird das Gewicht der Last der Kraft widerstehen, wenn die angesetzte Kraft jedoch groß genug ist, wird die resultierende Kraft die erforderliche Arbeit leisten. Unsere eigenen Körper und die Körper von Tieren funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Einige Körperteile arbeiten als Hebel, um die benötigte Energie für bestimmte Aufgaben zu minimieren.

Klasse-1-Hebel sind in ihrem Aufbau ähnlich einer Wippe, einem zweiseitigen Hebel. Der Dreh- oder Angelpunkt ist in der Mitte. Die angesetzte Kraft ist auf der einen, der Widerstand an der anderen Seite. Der Drehpunkt für einseitige bzw. Klasse-2-Hebel befindet sich auf einer Seite des Hebels, die angesetzte Kraft ist am gegenüberliegenden Ende und der Widerstand nahe dem Drehpunkt mit entgegengesetzter Richtung zur Kraft. Das Konzept von Klasse-3-Hebeln oder Winkelhebeln ist entgegengesetzt zu dem Aufbau von Klasse-2-Hebeln. Der Drehpunkt ist immer noch an einer Seite des Hebels, aber die angesetzte Kraft ist ihm nun am nächsten, während die Last am anderen Ende der Widerstand ist und in entgegengesetzter Richtung zur angesetzten Kraft wirkt.

Hebel Klasse 1

Einige Waagen, die in der Mitte ausbalanciert sind, sind Klasse-1-Hebel. Scheren sind eine Kombination von zwei Klasse-2-Hebeln. Sie helfen uns beispielsweise Materialien zu schneiden, bei denen ein Messer unpraktisch wäre. Die Länge der Griffe ermöglicht eine Verringerung der für das Schneiden erforderlichen angesetzten Kraft. Dementsprechend erschwert es das Schneiden, wenn das zu schneidende Objekt weiter vom Scherengelenk, das den Drehpunkt darstellt, entfernt ist.

Scheren, die dickere oder härtere Materialien wie Baumäste oder Bleche schneiden sollen, verfügen häufig über längere Griffe, um das Drehmoment zu erhöhen. In einigen Fällen wird eine Feder eingesetzt, um einen mechanischen Vorteil zu erlangen. Einige Spezialscheren verfügen über zusätzliche Funktionen. Beispielsweise haben Kleiderscheren, mit denen die Kleidung bei verletzten Personen aufgeschnitten werden, eine gerundete Spitze, um die Person zu schützen. Andere Scheren im medizinischen Bereich haben gekrümmte Kanten oder sind klein genug, damit ein Chirurg empfindliches Gewebe schneiden kann und trotzdem über die mechanischen Vorteile einer Schere im Vergleich zu einem Messer verfügt. Scheren werden manchmal auch bei Augenoperationen eingesetzt. Sie können lediglich 6 cm lang sein und die Maße der Klingen 2 cm oder kürzer betragen.

Ein Brecheisen zählt ebenfalls zu den Klasse-1-Hebeln, kann aber auch als Klasse-2- oder Klasse-3-Hebel genutzt werden. Das Werkzeug wird häufig verwendet, um Nägel zu entfernen oder zwei verbundene Elemente auseinanderzubrechen. Es kann auch verwendet werden, um schwere Objekte anzuheben, insbesondere auf kleine Höhen. Brecheisen sind berüchtigt dafür, bei Einbrüchen verwendet zu werden. Jeder kreative Kriminelle würde aber auch auf jedes andere Werkzeug zurückgreifen, das ihm weiterhilft.

In unseren eigenen Körpern und denen einiger Tiere ist die Mechanik, die die Bewegung des Kopfes ermöglicht, ein Beispiel für einen Klasse1-Hebel. Der Kopf ist auf dem Hals balanciert, der zu Drehpunkt wird. Die Kraft wird von den Muskeln auf einer Seite des Kopfes ausgeübt, der Widerstand befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite. Wenn genügend Kraft ausgeübt wird, neigt sich der Kopf in Richtung der Ausgangskraft bzw. des Widerstands.

Hebel Klasse 2

Unser Mund, wenn er beispielsweise zum Kauen eingesetzt wird, sowie auch die Schnäbel von Vögeln sind Beispiele für Klasse-2-Hebel. Das Gleiche gilt für Nussknacker. Nussknacker können aus Metall oder Holz gefertigt sein und sind häufig verziert. In manchen Fällen dienen sie auch nur der Dekoration, meistens zu Weihnachten, und haben dann häufig die Form hölzerner Soldaten, Könige usw. Diese dekorativen Nussknacker haben ihren Ursprung eventuell in Deutschland und sind auch heute noch als lokales Kunsthandwerk beliebt. Sie werden häufig auf Weihnachtsmärkten verkauft. Für den Hausgebrauch werden heute jedoch einfachere und funktionellere Designs zum Nüsse knacken und Öffnen der harten Schale von Hummern verwendet. Die Scheren von Hummern und Krabben sind tatsächlich ebenfalls Klasse-2-Hebel und funktionieren vom Prinzip her wie Nussknacker.

Eine Knoblauchpresse ist ein ähnliches Design wie die vorgenannten Geräte und gehört ebenfalls zu den Klasse-2-Hebeln. Nicht alle Köche verwenden gern eine Knoblauchpresse, da sie denken, dass gequetschter Knoblauch nicht so gut schmeckt, andere hingegen mögen den intensiven Geschmack und die komfortable Verwendungsart.

Unsere Füße sowie auch die von Tieren funktionieren ebenfalls als Hebel der Klasse 2. Der Drehpunkt ist bei den Zehen, die Muskeln üben Kraft an der Ferse aus. Unser Gewicht ist der Widerstand. Dieser „Hebel“ hilft, unsere Füße zu balancieren, unseren Körper zu heben und herabzulassen.

Andere Beispiele für Klasse-2-Hebel sind Schubkarren, Bremsen von Fahrzeugen und Türen. Wenn wir eine Tür in der Nähe des Drehpunkts schieben, ist es fast unmöglich sie zu öffnen, aber sie lässt sich einfach schwingen, wenn wir die Kraft an der Seite gegenüber von den Angeln ausüben. Das ist der Grund, weshalb die Angeln gegenüber des Türgriffs an den Seiten angebracht sind. Um das Drehmoment zu erhöhen und die Kraft zu reduzieren, die erforderlich sind, die Tür zu öffnen, kann eine schwere Tür breiter gemacht werden.

Flaschenöffner sind ebenfalls Klasse-2-Hebel, insbesondere eigenständige Geräte, die nicht an einer Wand oder sonstigen Oberfläche angebracht sind. Einige dieser Öffner sind Werkzeuge, die bei Taschenmessern angebracht sind. Sie sind so zum Teil klein, dass sie an einem Schlüsselanhänger getragen werden können. Manchmal kann ein Flaschenöffner ein Klass-1-Hebel sein, wenn der Öffner anders angesetzt wird und nach unten gedrückt, statt nach oben gezogen wird.

Hebel Klasse 3

Unsere Arme, wenn wir sie zum Heben schwerer Objekte verwenden, funktionieren als Klasse-3-Hebel. Das Gleiche gilt für die Beine, wenn wir vom Boden abstoßen, während wir gehen oder laufen. In diesem Fall funktionieren Knie und Ellbogen als Drehpunkt. Und wenn wir unsere Arme mit Werkzeugen wie Baseball- oder Tennisschläger „ausstrecken“, erzeugen wir zusätzliche Klasse-3-Hebel. Wir wenden Kraft nahe des Drehpunkts an, um diese Geräte zu drehen, und die Widerstandskraft befindet sich am Ende des Schlägers, wo der Kontakt mit dem Ball erfolgt. Eine Angel funktioniert ähnlich, da die Kraft zum Drehen im Griffbereich angesetzt wird.

Ein Hammer ist ein weiteres Beispiel, genauso wie andere Werkzeuge, beispielsweise Spaten, Rechen, Besen und Fliegenklatschen. Werkzeuge wie Stapler, Zangen und Pinzettengehören zu den Klasse-3-Hebeln, sind aber Doppelhebel, bei denen ein Hebel in Richtung des anderen wirkt.

Praktisches Beispiel

Sehen wir uns ein Beispiel der Hebelnutzung an. Eine durchschnittliche Person kann normalerweise einen Stein von etwa 20 kg heben. Es ist anstrengend, aber möglich, selbst für eine nicht sehr starke Person. Andererseits wäre ein kleines Kind nicht in der Lage, einen solchen Stein zu heben. Wenn es jedoch ein Stemmeisen verwenden würde, das stabil und lang genug ist, kann das Gewicht erheblich reduziert werden, sodass selbst ein Kind den Stein heben kann. Archimedes soll gesagt haben, dass er die Erde bewegen könne, wenn er an einem Ort stünde, der weit genug entfernt wäre. Diese Behauptung basiert auf dem gleichen Prinzip. Nachdem wir den schweren Stein mithilfe von Klasse-1-Hebeln gehoben haben, können wir ihn in eine Schubkarre, einem Klasse-2-Hebel geben, und transportieren. Indem wir die Schubkarre mit Händen und Armen anheben, verwenden wir den nächsten Hebel.

Weitere Informationen

Dieser Artikel wurde von Kateryna Yuri verfasst.

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Mechanik ist der Bereich der Physik, der sich mit dem Verhalten physikalischer Körper, wenn diese Kräften oder Verlagerung ausgesetzt sind, und den darauf folgenden Auswirkungen der Körper auf ihre Umgebung befasst.

Drehmoment

Die grundlegende Definition von Drehmoment in der Physik ist eine Dreh- oder windende Kraft. Wenn eine Kraft genutzt wird, um ein Objekt zu drehen oder dessen Drehen stoppen, handelt es sich um ein Drehmoment. Drehmoment, auch Kraftmoment genannt, ist die Tendenz einer Kraft, ein Objekt um eine Drehachse oder einen Stützpunkt zu drehen, an der bzw. dem ein Hebel beim Drehen des Objekts dreht. Mathematisch gesehen ist das Drehmoment als Produkt der Kraft und der Strecke des Hebelarms definiert, der dazu tendiert, eine Drehung zu verursachen. Die Größe des Drehmoments hängt von der angesetzten Kraft ab, der Länge des Hebelarms, der die Achse oder Drehung des Hebels am Punkt der Kraftanwendung verbindet, und dem Winkel zwischen der Kraftrichtung und dem Hebelarm.

Das Drehmoment hat die Dimension der Kraft multipliziert mit der Distanz. Im internationalen System der Einheiten (Système International d’Unités, SI) lautet die Einheit für Kraft Newtonmeter (N·m) oder Joule pro Radiant. Auch britische Einheiten wie Pound-force-Foot (lbf·ft), Foot-Pound-force, Inch-Pound-force, Ounce-force-Inch (oz·in) werden häufig verwendet. Zu den anderen nicht dem SI zugehörigen Einheiten für Drehmoment gehört Meter-Kilogram-force. Bei diesen Einheiten wird der Begriff „Kraft“ häufig nicht genannt.

Den Umrechner für Drehmoment nutzen:

Dieses Online-Tool zur Umrechnung von Einheiten ermöglicht die schnelle und genaue Umrechnung vieler Messeinheiten von einem System zu einem anderen. Die Seite für die Einheitenumrechnung ist eine Lösung für Techniker, Übersetzer und alle, die mit Mengen arbeiten, die in unterschiedlichen Einheiten angegeben werden können.

Sie können dieses Online-Tool zur Umrechnung verwenden, um zwischen mehreren Hundert Einheiten (einschließlich metrischer, britischer und amerikanischer) in 76 Kategorien oder mehreren Tausend Paaren umzurechnen. Beispiele der Kategorien sind Beschleunigung, Fläche, Elektrizität, Energie, Kraft, Länge, Licht, Masse, Massenfluss, Dichte, spezifisches Volumen, Leistung, Druck, Belastung, Temperatur, Zeit, Drehkraft, Geschwindigkeit, Viskosität, Volumen und Kapazität und Volumenstrom.
Hinweis: Ganzzahlen (Zahlen ohne Dezimalzeichen oder Exponentennotation) werden bis zu 15 Ziffern als genau erachtet. Die maximale Anzahl Ziffern nach dem Dezimalzeichen ist 10 Ziffern.

Bei diesem Umrechner wird die E-Notation verwendet, um Zahlen darzustellen, die zu klein oder zu groß sind. Die E-Notation ist ein alternatives Format der wissenschaftlichen Notation a · 10^x. Zum Beispiel: 1.103.000 = 1,103 · 10⁶ = 1,103E+6. Hier stellt E (gleich Exponent) “· 10^” dar, das heißt “multipliziert mit zehn potenziert mit”. Die E-Notation wird häufig bei Taschenrechnern und von Wissenschaftlern, Mathematikern und Ingenieuren verwendet.

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