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Hebel

Hebel sind kraftumformende Einrichtungen. Sie dienen häufig dazu, mit kleinen Kräften größere Kräfte hervorzurufen. Sie werden z. B. bei Brechstangen, Scheren, Schraubenschlüsseln, Flaschenöffnern, Waagen oder Wippen genutzt.
Mit Hebeln wird keine mechanische Arbeit gespart, sondern lediglich die notwendige Kraft zum Bewegen oder Heben eines Gegenstandes verringert, wobei sich der zurückzulegende Weg vergrößert.

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Hebel sind kraftumformende Einrichtungen. Sie dienen häufig dazu, mit kleinen Kräften größere Kräfte hervorzurufen. Sie werden z. B. bei Brechstangen, Scheren, Schraubenschlüsseln, Flaschenöffnern, Waagen oder Wippen genutzt.
Auch unsere Arme und Beine oder das Gebiss eines Tieres wirken wie Hebel.
Hebel können je nach ihrem Verwendungszweck unterschiedliche Formen und Anordnungen haben (Bild 1). Jeder Hebel besitzt jedoch eine Drehachse und zwei Kraftarme oder Hebelarme.

  • L. Meyer, Potsdam

Einseitige und zweiseitige Hebel

Je nach der Lage der Kraftarme bezüglich der Drehachse unterscheidet man zwischen einseitigen und zweiseitigen Hebeln.
Bei einem einseitigen Hebel (Bild 2) greifen beide Kräfte, von der Drehachse aus gesehen, auf einer Seite an. Beispiele für solche einseitigen Hebel sind ein Flaschenöffner, eine Pinzette oder ein Schraubenschlüssel.

Bei einem zweiseitigen Hebel (Bild 3) greifen beide Kräfte, von der Drehachse aus gesehen, auf unterschiedlichen Seiten an. Beispiele dafür sind eine Schere, eine Zange oder eine Balkenwaage. Manche Hebel können als einseitige oder als zweiseitige Hebel genutzt werden, je nachdem, wo die Drehachse liegt. Das gilt z. B. für eine Brechstange.

Das Hebelgesetz

Für einseitige und zweiseitige Hebel gelten die gleichen Gesetze. Befindet sich ein Hebel im Gleichgewicht, so gilt das Hebelgesetz. Es lautet:

Für alle Hebel im Gleichgewicht gilt unter der Bedingung, dass die Kräfte senkrecht am Hebel angreifen:

F ~ 1 r    oder    F 1 F 2 = r 2 r 1    oder    F 1 ⋅ r 1 = F 2 ⋅ r 2                                           F ,   F 1 ,   F 2    Kräfte                                           r ,   r 1 ,   r 2      Kraftarme

Das Hebelgesetz kann auch mit der Größe Drehmoment formuliert werden. Da die Drehmomente eine Drehung in unterschiedlicher Richtung bewirken, spricht man in der Physik vom links drehenden und vom rechts drehenden Drehmoment. Das Hebelgesetz lautet dann:

Ein Hebel ist im Gleichgewicht, wenn das links drehende Drehmoment gleich dem rechts drehenden Drehmoment ist.

    M l = M r F 1 ⋅ r 1 = F 2 ⋅ r 2

Mechanische Arbeit an Hebeln

Für Hebel gilt wie für alle kraftumformende Einrichtungen die Goldene Regel der Mechanik: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen.
Wird die Reibung vernachlässigt, dann gilt:
Die mechanischen Arbeiten am Hebel sind gleich groß:

F 1 ⋅ s 1 = F 2 ⋅ s 2                             F 1 ,   F 2     wirkende Kräfte                             s 1 ,   s 2     zurückgelegte Wege

In der Praxis wirkt aber ständig Reibung. Deshalb ist die tatsächlich aufzuwendende Arbeit stets größer als die nutzbare Arbeit.

Hebel bei Lebewesen

Auch bei Lebewesen spielen Hebel eine wichtige Rolle. Beispielsweise wirkt unser Arm wie ein Hebel. Bewegt wird dieser Hebel durch die Muskelkraft (Bild 5). Will man z. B. eine schwere Last halten, so ist es sinnvoll, den Kraftarm 2 zu verkürzen. Das geschieht dadurch, dass man den Unterarm in eine fast senkrechte Stellung bringt.

Auch jedes Gebiss ist ein Hebel. Die Bewegung der Hebelarme erfolgt durch Muskelkräfte. Der Betrag der nutzbaren Kraft beim Zubeißen hängt von der Muskelkraft und von der Länge der Kraftarme ab.

Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Hebel." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/hebel (Abgerufen: 20. May 2025, 13:22 UTC)

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Die Wärme

Die Wärme ist eine relativ komplizierte physikalische Größe, deren Wesen erst im Laufe vieler Jahrzehnte geklärt werden konnte. Heute kann man klar definieren: Die Wärme gibt an, wie viel thermische Energie von einem Körper auf einen anderen Körper übertragen wird.

 Formelzeichen:Q
 Einheit:ein Joule (1 J)

Die Wärme ist wie die mechanische Arbeit eine Prozessgröße, da sie den Prozess der Energieübertragung zwischen Körpern beschreibt.

Kraftumformende Einrichtungen im Überblick

Alle einfachen mechanischen Anlagen, mit deren Hilfe man den Betrag oder die Richtung von Kräften oder beides verändern kann, werden als kraftumformende Einrichtungen bezeichnet. Zu diesen kraftumformenden Einrichtungen gehören die verschiedenen Arten von Hebeln, feste und lose Rollen, Flaschenzüge und geneigte Ebenen. Auch hydraulische und pneumatische Anlagen kann man zu ihnen zählen.
Für alle kraftumformenden Einrichtungen gilt die Goldene Regel der Mechanik.

Rollen und Flaschenzüge

Rollen sind kraftumformende Einrichtungen. Sie dienen häufig dazu, um z. B. bei Kranen oder Spannvorrichtungen für Fahrdrähte die Richtung oder den Betrag der aufzubringenden Kraft zu verringern. Dabei wird zwischen festen und losen Rollen unterschieden. Die Kombination aus mehreren festen und losen Rollen wird als Flaschenzug bezeichnet.
Mit Rollen wird keine mechanische Arbeit gespart, sondern lediglich die notwendige Kraft zum Bewegen oder Heben eines Gegenstandes umgelenkt oder verringert, wobei sich im zweiten Fall der Weg entsprechend vergrößert.

Energie und Arbeit

Die physikalischen Größen Energie und Arbeit hängen eng miteinander zusammen. Wird von einem System oder an einem System Arbeit verrichtet, so ändert sich dessen Energie. Allgemein gilt:

Die von einem System oder an einem System verrichtete Arbeit ist gleich der Änderung seiner Energie.

Arten mechanischer Arbeit

Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn ein Körper oder ein System durch eine einwirkende Kraft bewegt oder verformt wird. Dabei unterscheidet man traditionsgemäß je nach dem betreffenden Vorgang zwischen verschiedenen Arten der Arbeit. Wichtige Arten sind

 
  • die Arbeit beim Heben eines Körpers (Hubarbeit),
 
  • die Arbeit beim Beschleunigen eines Körpers (Beschleunigungsarbeit),
 
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Häufig wirken bei einem Vorgang auch mehrere Arten von Arbeit.

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