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Lehrerportal

Hintergrund

Einfache Maschinen sind für das tägliche Leben wichtig und zu Hause, in der Schule oder auf dem Spielplatz anzutreffen. Einfache Maschinen sind Werkzeuge, die die Größe und/oder Richtung der Kraft ändern, um die Arbeit zu erleichtern. Mithilfe einfacher Maschinen können normale Menschen große Steine heben, Blöcke über weite Entfernungen bewegen und sogar Pyramiden bauen.

In dieser Einheit werden den Schülern die physikalischen Konzepte von Kraft und Arbeit sowie vier Arten einfacher Maschinen vorgestellt: schiefe Ebene, Rad und Achse, Hebel und Zahnräder. Mithilfe von vier Konstruktionen, die diese einfachen Maschinen beinhalten: eine schiefe Ebene, einen Ausgleichshebel, ein Federauto und eine Uhr, können die Schüler untersuchen, wie Kraft angewendet werden kann, um die Arbeit zu erleichtern. Darüber hinaus erhalten die Schüler Einblick in Werkzeuge, die seit der Antike verwendet wurden und auch heute noch im Einsatz sind.

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Was ist eine einfache Maschine?

Eine einfache Maschine ist ein Werkzeug, das die Größe und Richtung einer Kraft ändert, um ein Objekt zu bewegen. Einfache Maschinen sind Geräte mit wenigen oder keinen beweglichen Teilen, die die Arbeit erleichtern. Einfache Maschinen gibt es seit Tausenden von Jahren und sie sind nach wie vor nützlich. In dieser Einheit lernen die Schüler vier Arten einfacher Maschinen kennen: schiefe Ebene, Rad und Achse, Hebelund Zahnräder.

Schiefe Ebene Hebel Rad & Achse Gang
Die schiefe Ebene ist eine geneigte Oberfläche, die zum Anheben oder Absenken eines Objekts verwendet wird. Eine bewegliche Stange, die an einem Drehpunkt, einem sogenannten Drehpunkt, befestigt oder auf diesem positioniert ist. Erleichtert das Bewegen von Gegenständen durch Rollen und verringert dadurch die Reibung. Ein Rad mit Zähnen an den Rändern. Es dient zur Übertragung, Erhöhung oder Verringerung von Kraft.
Zeichnung einer Person, die einen großen, runden Gegenstand einen steilen Hügel hinaufschiebt. Ein Pfeil zeigt horizontal nach links auf den Gegenstand und gibt die Kraftrichtung an, mit der der Gegenstand die schiefe Ebene hinaufgeschoben wird. Zeichnung einer Person, die neben einer Waage steht und auf der linken Seite nach unten drückt. Auf der rechten Seite sitzt ein Amboss. Ein nach unten zeigender Pfeil auf die Stelle, an der die Person drückt, gibt die Kraftrichtung an, die zum Ausbalancieren des Skalenhebels erforderlich ist. Eine Zeichnung eines runden Rades am Ende einer langen, dübelartigen Achse, mit Pfeilen, die sich um die Achse und das Rad winden und die Bewegungsrichtung beider anzeigen. Zwei blaue Zahnräder sind nebeneinander dargestellt, wobei ein Abschnitt der Zähne ineinander greift und zeigt, wie durch Drehen eines Zahnrads das andere bewegt wird.

Was ist Kraft?

Kraft ist ein Stoßen oder Ziehen auf ein Objekt. Wenn auf ein Objekt eine Kraft ausgeübt wird und dieser Kraft kein Widerstand entgegengesetzt ist, ändert sich die Geschwindigkeit oder Richtung des Objekts. Kraft wird eingesetzt, um Dinge um uns herum zu bewegen. Wir werden in dieser Einheit mit mehreren Kraftformen arbeiten, darunter angewandte Kraft sowie ausgeglichene und unausgeglichene Kräfte.

Angewandte Kraft

Eine angewandte Kraft bezieht sich auf eine Kraft, die auf ein Objekt ausgeübt wird. Wenn Sie Ihren Stuhl durch den Raum schieben würden, würden Sie Kraft auf den Stuhl ausüben.

Es gibt sowohl ausgeglichene als auch unausgeglichene Kräfte. Kräfte, die gleich groß sind, aber entgegengesetzte Richtungen aufweisen, heißen ausgeglichene Kräfte. Ausgeglichene Kräfte führen nicht dazu, dass sich ein Objekt bewegt.

Eine Zeichnung hat in der Mitte drei große quadratische Kästchen. Rechts schiebt ein Kind eine weitere Kiste auf den Stapel. Rechts hat ein Kind ein Seil an einem Griff an einer der Kisten im Stapel befestigt und zieht die Kiste.

Ausgeglichene und unausgeglichene Kräfte

Kräfte, die gleich groß sind, aber entgegengesetzte Richtungen aufweisen, heißen ausgeglichene Kräfte. Ausgeglichene Kräfte führen nicht dazu, dass sich ein Objekt bewegt. Ein Beispiel für eine ausgeglichene Kräfteverteilung wären zwei Gruppen von Menschen, die Tauziehen mit gleicher Kraft spielen. Dies würde dazu führen, dass das Seil an Ort und Stelle bleibt, da die auf beiden Seiten ausgeübten Gegenkräfte gleich sind.

Eine Zeichnung, die ein rotes Team aus drei Personen auf der linken Seite und ein blaues Team aus drei Personen auf der rechten Seite zeigt, die Tauziehen spielen und versuchen, eine Seite über die Mittellinie zu bewegen, indem sie an einem Seil ziehen.

Unausgeglichene Kräfte führen jedoch dazu, dass sich ein oder mehrere Objekte bewegen. Angenommen, eines der Teams in unserem Tauziehen zieht stärker als das andere Team, dann wären die Kräfte nicht mehr gleich. Ein Team könnte das andere Team in die Richtung der größeren Streitmacht ziehen.

Unausgeglichene Kräfte bewirken eine Bewegungsänderung des Objekts, auf das die Kraft ausgeübt wird. Einfache Maschinen wie die schiefe Ebene nutzen eine ungleichgewichtete Kraft, um die Arbeit zu erleichtern. Beispielsweise ist bekannt, dass Objekte aufgrund eines Ungleichgewichts der Schwerkraft auf einer schiefen Ebene beschleunigt werden.

Schwerkraft

Die Schwerkraft ist die Kraft, mit der die Erde, der Mond oder andere riesige Objekte andere Objekte anziehen. Per Definition ist dies das Gewicht des Objekts. Auf alle Objekte auf der Erde wirkt eine Schwerkraft, die „nach unten“ zum Erdmittelpunkt gerichtet ist.

In der Mitte befindet sich eine Zeichnung der Erde, umgeben von zwei konzentrischen Ringen. Oben und unten im Bild stehen zwei Kinder, eines auf jeder Stange. An den vier Ecken zeigen vier rote Pfeile zur Erde und verdeutlichen die Schwerkraft.

Was ist Arbeit?

In der Wissenschaft ist Arbeit die Anwendung von Kraft, um ein Objekt von einem festen Startpunkt aus zu bewegen. Einfache Maschinen erleichtern die Arbeit (das Bewegen von Objekten).

Die wissenschaftliche Definition von Arbeit ist die Menge an Kraft, die auf ein Objekt ausgeübt wird, multipliziert mit der Distanz, über die das Objekt bewegt wird. Arbeit besteht also aus Kraft und Entfernung. Für die Fertigstellung jedes Auftrags ist eine bestimmte Menge an Arbeit erforderlich, und diese Zahl ändert sich nicht. Somit ergibt sich aus Kraft mal Weg immer die gleiche Arbeit. Dies bedeutet, dass Sie eine größere Kraft aufwenden müssen, wenn Sie etwas über eine kleinere Distanz bewegen. Wenn Sie andererseits weniger Kraft aufwenden möchten, müssen Sie es über eine größere Distanz bewegen. Dies ist der Kompromiss zwischen Kraft und Entfernung.

Es werden drei nebeneinander liegende Situationen mit einem Auto gezeigt, das auf einer geneigten Rampe zu einer erhöhten Fläche hinauffährt. Ganz links hat die Rampe einen Neigungswinkel von 30 Grad und eine grüne Winkelmarkierung zwischen Rampe und Boden zeigt den Neigungsgrad an. In der Mitte hat die Rampe einen Winkel von 45 Grad (angezeigt durch die grüne Winkelmarkierung) und das Auto steht in einem steileren Winkel. Ganz rechts hat die Rampe einen Winkel von 60 Grad, der durch eine grüne Winkelmarkierung dargestellt ist, und das Auto befindet sich im steilsten Winkel.

Was ist mechanischer Vorteil?

Der mechanische Vorteil liegt vor, wenn Sie für die gleiche Arbeit weniger Kraft benötigen, weil eine einfache Maschine zum Erhöhen und Ändern der Richtung der angewandten Kraft verwendet wird. Der mechanische Vorteil kann an spezifische Anforderungen angepasst werden. Zwei Arten mechanischer Vorteile sind Geschwindigkeit und Drehmoment.

Was ist Drehmoment?

Drehmoment ist ein mechanischer Vorteil, der die Leistung eines angetriebenen Zahnrads oder einer angetriebenen Maschine erhöht. Ein Drehmoment entsteht, wenn eine Kraft eingesetzt wird, um die Drehung eines Objekts zu starten oder zu stoppen, wie dies beispielsweise bei rotierenden Zahnrädern oder bei der teilweisen Drehung eines Hebels der Fall ist. In der Animation unten sehen Sie, wie ein kleineres Zahnrad ein größeres Zahnrad antreibt und so ein höheres Drehmoment erzeugt.

Was ist Geschwindigkeit?

Geschwindigkeit ist die Distanz, die ein Objekt im Laufe der Zeit zurücklegt, und ist ein mechanischer Vorteil, der die Leistung des angetriebenen Zahnrads oder der angetriebenen Maschine beschleunigt. Bei Getrieben ist die Geschwindigkeit umgekehrt proportional zum Drehmoment. Wenn die gewünschte Drehzahl im Abtrieb gewünscht wird, muss das Drehmoment verringert werden. Das Gegenteil trifft ebenfalls zu: Wenn als Leistung mehr Drehmoment oder Leistung gewünscht wird, verringert sich die Drehzahl. In der Animation unten sehen Sie, wie ein größeres Zahnrad ein kleineres Zahnrad antreibt und so für eine höhere Geschwindigkeit sorgt.

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