100 Kilo hochheben? Deinen Schrank ankippen oder einen großen Stein bewegen? Kein Problem! Du musst nicht einmal einen Gewichtheber engagieren. Hast Du eine Idee, wie Du es auch so schaffst? Mit einer der ältesten, einfachsten und wichtigsten Maschinen der Welt kannst Du es ganz allein: mit einem Hebel. Wie der funktioniert und wie Du ihn am geschicktesten einsetzt, erklärt Dir TK-logo.
263 Kilogramm - das ist Weltrekord im Gewichtheben für Männer. Die stärkste Frau der Welt kann immerhin 187 Kilogramm stemmen. Davon können die meisten Menschen nur träumen. Aber ehrlich gesagt: Es ist gar nicht gesund, so schwer zu heben. Denn unsere Gelenke, Muskeln und Bandscheiben - das sind die knorpeligen Knochenverbindungen - sind dafür nicht gemacht und nicht trainiert. Schon wenn Du Dein Fahrrad ein paar Stufen hinauftragen musst oder Deinen Schulranzen aufsetzt, kann das ganz schön anstrengend sein.
Doch mit ein paar einfachen Tricks kannst auch Du sogar noch sehr viel schwerere Dinge anheben, wie zum Beispiel eine große, schwere Kiste in Deinem Zimmer. Wie das geht? Du brauchst dafür gar kein kompliziertes Gerät. Ein langer Stab, zum Beispiel ein Stiel von Schrubber oder Besen, reicht schon, und eventuell noch ein kleinerer fester Gegenstand wie ein (Ziegel-)Stein oder ein Holzklotz, der als Auflagepunkt oder Drehpunkt für den Stiel dient. Damit kannst Du eine der einfachsten und wirkungsvollsten Maschinen bauen, die es gibt: einen Hebel. Schon vor vielen tausend Jahren haben Menschen das Prinzip des Hebels entdeckt, und sogar manche Affen nutzen es.
Und so funktioniert's: Unter der Kiste muss ein kleiner Luftspalt sein, damit Du Deinen Hebel ansetzen kannst. Es gibt zwei Möglichkeiten dafür: Entweder Du legst den Klotz vor die Kiste und benutzt ihn als Auflagepunkt für den Stiel, den Du dann nach unten drückst. Oder Du nimmst nur den Stiel, schiebst ihn ein Stückchen unter die Kiste, setzt ihn auf den Boden und ziehst ihn hoch. Im ersten Fall spricht man von einem zweiseitigen Hebel, weil der Drehpunkt den Stiel in zwei Seiten teilt. Drehst Du um den Endpunkt der Stange, so nennt man das einen einseitigen Hebel.
© icomedias
Das Prinzip Hebel - die WippeNach welchem Prinzip ein Hebel funktioniert, hast Du mit Sicherheit schon einmal selbst erlebt: auf einer Wippe. Das Tolle am Wippen ist, dass es auch mit einem kleinen Bruder oder einer großen Schwester Spaß macht, ja sogar mit den Eltern. Denn auf einer Wippe können auch zwei Menschen, die ganz unterschiedlich groß und schwer sind, ins Gleichgewicht kommen und so miteinander schaukeln. Hast Du schon mal darüber nachgedacht, wieso das so einfach geht?
Weißt Du, wie man die leichte und die schwere Person setzen muss, damit sie beide zum Schaukeln in die Schwebe kommen? Richtig! Die leichte Person muss sich möglichst weit nach außen setzen und die schwerere weiter nach innen, näher an den Auflagepunkt des Balkens. Dann kann sogar das Leichtgewicht sein Gegenüber nach oben heben.
© icomedias
Wie ein Hebel funktioniert, hat der griechische Mathematiker Archimedes herausgefunden, der ungefähr von 287 bis 212 vor Christus lebte. Er experimentierte, maß und rechnete und fand so folgenden Zusammenhang heraus:
Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm
Das bedeutet: Je schwerer die Last, die mit einer möglichst kleinen Kraft gehoben werden soll, desto länger muss der Kraftarm sein im Vergleich zum Lastarm. Bei der Wippe muss also das Leichtgewicht am längeren Hebel sitzen, um das Schwergewicht in die Luft stemmen zu können.
© icomedias
Ein RechenbeispielDie Wippe ist 4 Meter lang, der Auflagepunkt in der Mitte. Deine Mutter wiegt doppelt so viel wie Du. Wie müsst Ihr Euch platzieren, damit das Wippen Spaß macht?
Auflösung: Wenn Deine Mutter als Last das Doppelte von der Kraft ist, muss der Lastarm die Hälfte vom Kraftarm sein, um Gleichgewicht herzustellen. Du setzt Dich ans Ende des Balkens und Deine Mutter auf die Hälfte ihres Arms, also bei 1 Meter.
So nutzt Du das Prinzip des HebelsWenn Du Dir einen Hebel zuhause selber baust, aus Besenstiel und Klotz, dann kannst Du über die Position des Klotzes selber bestimmen, wie lang die beiden Enden Deines Hebels sind. Wo musst Du den Auflagepunkt wählen, um die schwere Kiste mit möglichst wenig Kraft anzuheben? Eher nahe an der Kiste oder eher nahe bei Dir?
Wenn der Kraftarm zehnmal so lang ist, wie der Lastarm, dann gelingt es Dir, das Zehnfache Deiner Kraft auszuüben. Ein Hebel kann also Deine eigene Kraft vervielfachen! Damit ist er schon eine Maschine, wenn auch eine sehr einfache. Das Prinzip einer Maschine ist es nämlich, Kräfte zu übertragen oder umzulenken und sie in ihrer Größe und Richtung zu ändern.
Richtig heben Mit dem Hebelprinzip lässt sich auch leicht verstehen, weshalb es zum Beispiel beim Hochheben einer Kiste wichtig ist, sich nicht zu weit vorzubeugen, sondern die Last lieber eng am Körper zu tragen. Denn je weiter Du Dich vorbeugst, desto größer wird der Lastarm und damit auch die Belastung auf den tragenden Teil Deiner Wirbelsäule.
Die Goldene Regel der MechanikFür den Hebel gilt die "Goldene Regel der Mechanik". Sie wurde von dem italienischen Naturforscher Galileo Galilei aufgestellt, der von 1564 bis 1642 lebte, und lautet: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen.
Das kannst Du an unserem Beispiel mit der Kiste leicht nachvollziehen: Obwohl Du die Kiste nur ein kleines Stückchen anheben willst, musst Du den Hebel eine ganz schön lange Strecke herunter drücken. Sie ist umso länger, je weiter hinten Du den Hebel anfasst. Dafür wird aber die Kraft, die Du aufwänden musst, umso geringer. Manchmal kann es also weniger anstrengend sein, einen längeren Weg in Kauf zu nehmen.
Überall Hebel
Weil der Hebel so eine nützliche Sache ist, wimmelt es in unserem Alltag geradezu davor: Du findest ihn zum Beispiel als Türklinke, Flaschenöffner, Nussknacker und Kneifzange, Schere oder Schraubenschlüssel. Auch an Deinem Fahrrad sind viele Hebel. Kannst Du Dir denken, wo? Die Tretkurbel ist ein Hebel, die Bremshebel natürlich, aber auch der Lenker. Fallen Dir noch mehr Beispiele aus dem Alltag ein?
Wenn Du all diese Werkzeuge genauer betrachtest, fällt Dir sicher auf, dass sie nicht alle auf dieselbe Weise arbeiten wie eine Wippe. Während Schere und Kneifzange einer Wippe sehr ähnlich sind, haben Türklinke, Fahrradkurbel und Schraubenschlüssel nur einen einseitigen Hebel, der die Kraft direkt in den Drehpunkt überträgt. Und beim Nussknacker wirkt die Kraft auf derselben Seite vom Drehpunkt wie die Last. Das zeigt, wie unterschiedlich das Hebelprinzip eingesetzt werden kann.
Auch in der Natur gibt es Hebel
© icomedias
Genau genommen ist der Hebel gar keine Erfindung des Menschen. Die Natur hat dieses Prinzip auch schon angelegt, zum Beispiel in unserem Körper. Der Hebel ist so etwas wie unser ureigenstes Werkzeug. Fallen Dir auf Anhieb ein paar Beispiele ein? Unser Kiefer, die Schnäbel bei Vögeln oder die Zangen bei Krebstieren. Aber auch unsere Arme, Beine und Füße funktionieren wie Hebel und sorgen dafür, dass wir uns kraftsparend bewegen können. Beim Gehen zum Beispiel hebeln wir uns eigentlich vorwärts. Dabei funktionieren die Hebel wie eine Schranke: Die Muskeln, die die Kraft ausüben, müssen auf der anderen Seite des Gelenks am Knochen ansetzen. Am kraftsparendsten wäre es natürlich, wenn sie möglichst weit entfernt vom Gelenk angreifen könnten. Aber das wäre ziemlich unpraktisch, weil die Hebel zu viel Platz bräuchten. Und so müssen wir das mit etwas mehr Muskelkraft wett machen.
Text: Uta Deffke
