Wikijunior Wie Dinge funktionieren/ Hebel

Ein Hebel, eine der sechs einfachen Maschinen, ist ein Ding, das über einen Punkt, wir nennen das Angelpunkt, Kraft verändert. Meist wird er verwendet, um Kraft zu vergrößern. Hebel sind meistens lang und schmal und werden aus stabilen Materialien gebaut, wie zum Beispiel die Zange, die du links im Bild siehst. An diesem Bild erkennst du noch nicht direkt den Hebel und den Vorteil, den er bietet. Also lass ihn uns etwas genauer anschauen:

Feststellzangen sind eine Form des Hebels.

Wer hat ihn erfunden?

Eine sehr alte Zeichnung: Ein Gärtner benutzt einen Schaduff, einen Hebel zum Wasser zu schöpfen.

Hebel kommen schon in der Natur vor. Du musst gar nicht weit schauen, denn dein Arm ist zum Beispiel ein Hebel! Auch dein Kiefer, den du zum kauen benutzt, ist ein Hebel. Es ist völlig unmöglich zu sagen, wer als erstes auf die Idee kam, einen Hebel zu benutzen, die Idee ist sehr alt und schon Menschen in der Steinzeit haben wahrscheinlich Hebel benutzt.

Die ältesten Schriften, die wir kennen und die Hebel beschreiben, stammen von Archimedes. Er sagte: „Gebt mir einen Ort, an dem ich stehen kann, und einen Hebel der lang genug ist, und ich verrücke die Erde!“ und war der erste, der sie mit den Mitteln der Mathematik beschrieb.

Im alten Ägypten verwendeten Baumeister Hebel, um riesige Steine zu bewegen, die soviel gewogen haben sollen, wie 100 Autos. Auch ein Schaduff, den du im Bild rechts siehst, wurde im alten Ägypten benutzt. Ein Hebel mit einem Gewicht am kurzen Ende, sodass das lange Ende Wasser aus einer Quelle oder einem Fluss befördern konnte. Schon vor doppelt so langer Zeit, wie seit der Geburt von Jesus Christus vergangen sind, wurde dieser benutzt. Und er wird immer noch in vielen Gegenden Asiens und Afrikas benutzt.

Was tut man damit?

Ein Stemmeisen. Ein Hebel kann eine kleine Kraft auf langer Strecke zu einer großen Kraft auf kurzer Strecke machen.

Mit einem Hebel können Menschen viel leichter große Kräfte benutzen. Wir heben oder bewegen damit Dinge. Manchmal wird mit einem Hebel auch etwas geschoben, wie zum Beispiel ein Schlüssel, der den Schließmechanismus in einem Schloss beiseite schiebt. Mit einem Hebel können wir größere Kraft wirken, weil wir mit wenig Kraft den längeren Arm des Hebels benutzen, um an seiner kurzen Seite mit viel Kraft etwas zu tun. Das gleiche Konzept kannst du überall bei den einfachen Maschinen finden zum Beispiel beim Flaschenzug. Auch bei diesem tauschen wir Kraft gegen Weg.

Woher bekommt er seine Energie?

Die Teile eines Hebels. Links ein großes Gewicht $F_{1}$(zum Beispiel eine Tüte Milch) mit kurzem Hebelarm $D_{1}$, rechts ein kleines Gewicht $F_{2}$(zum Beispiel eine Tafel Schokolade) mit langem Hebelarm $D_{2}$. Das graue Dreieck ist der Angelpunkt.

Ein Hebel braucht selber keine Energie. Energie wird benötigt, um die eigentlich Aufgabe zu erfüllen. Also um etwas zu heben, zu drücken oder allgemein zu bewegen. Die kommt immer von außen, entweder durch eine Maschine, die den Hebel antreibt, wie bei einem Bagger oder durch Muskelkraft eines Menschen, wie bei einem Stemmeisen. Wird auf die eine Seite Kraft ausgeübt, wird diese auf die andere Seite übertragen, dabei wird sie je nach Hebelarmlänge (schau dir das Bild rechts an), vergrößert oder verkleinert. Hierbei ist wieder wichtig: Das hat auch Auswirkung auf den Weg, den das Ziel bewegt wird, das haben wir ja bereits oben im Abschnitt „Was tut man damit“ gelernt. Wie du oben beim Bild vom Stemmeisen sehen kannst: Der Mensch muss den Hebel sehr weit drücken, um den kurzen Nagel herauszuziehen. Das könnte er aber ohne den Hebel gar nicht.

Wie funktioniert er?

Ein Hebel hat zwei wichtige Teile: Den Hebel selbst und den Angelpunkt. Dieser Angelpunkt ist nicht unbedingt Teil des Hebels, wie beim Stemmeisen. Die Stelle an der der Angelpunkt ist entscheidet, wie weit ein Objekt bewegt werden und wie schwer es sein kann (Wir sagen: Wieviel Kraft wir dafür benötigen).

Wenn ein Gewicht auf einem Hebel liegt, dann kannst du dieses Gewicht heben, indem du den Hebel auf der anderen Seite herunter drückst. Je weiter du vom Angelpunkt entfernt bist, desto leichter fällt es dir den Hebel herunter zu drücken. Aber der Weg den du dabei mit dem Hebel zurücklegen musst, wird immer größer. Das kannst du auf dem Spielplatz ausprobieren: Wenn du ganz hinten sitzt, aber einer deiner Eltern weiter vorn auf der anderen Seite, kannst du deine Mutter oder deinen Vater trotzdem hochheben.

Im Berufsleben sagen wir zu einem Aufwand, den wir eine bestimmte Strecke lang leisten müssen, „Arbeit“. Mit einem Hebel verrichtest du immer die gleiche Arbeit. Entweder mit großer Kraft auf einem kurzen Hebelarm, oder mit kleiner Kraft auf einem Langen. Es ist also egal, wie lang der Hebel ist, du machst immer die gleiche „Arbeit“.

Ist er gefährlich?

Hebel können tatsächlich gefährlich sein, weil sie Kraftverstärker sind. Du hast dich bestimmt schonmal irgendwo geklemmt, das tut weh. Und zwar genau wegen dieser Hebelwirkung. Jedes Mal, wenn du eine Tür öffnest benutzt du mehrere Hebel. Vielleicht das Schloss, dann die Klinke und zum Schluss die Tür selbst. Das sind alles Hebel. Man hat früher aus Hebeln auch Waffen gebaut, wie das Katapult.

Gibt es unterschiedliche Hebel?

Es gibt drei verschiedene Arten von Hebeln. Diese nennen wir Hebel erster, zweiter und dritter Klasse.

Eine Wippe ist ein Hebel erster Klasse, hier ist der Angelpunkt zwischen den beiden Lasten. Hier also zwischen den beiden Kindergruppen.

Eine Schubkarre ist ein Hebel zweiter Klasse. Hier ist der Angelpunkt das Rad und die schwerere Last dichter am Rad, als die Kraft, die du einsetzen musst, um die Schubkarre zu schieben.

Ein Baseball Schläger ist ein Beispiel für einen Hebel dritter Klasse. Hierbei geht es nicht darum die Kraft zu erhöhen, sondern den Weg zu verlängern und damit schneller zu sein. Dein Arm bewegt sich viel weniger als das Ende des Schlägers. Damit kannst du den Ball schneller treffen, als wenn du das mit deinen Händen tun würdest. Genauso funktioniert das auch beim Hammer, der also auch eine Form des Hebels ist.

Wir haben schon viele Arten von Hebeln kennengelernt: Türen, einen Hammer, die Wippe, deinen Arm, aber es gibt noch viel mehr Hebel auf der Welt. Wenn du dir Mühe gibst findest du sicher schnell noch viele weitere.

Es lohnt sich nachzuforschen wie Hebel in einem Flaschenzug, einer Uhr oder einem Getriebe vom Auto zur Anwendung kommen.

Wie hat er die Welt verändert?

Der Hebel hat die Welt sehr stark verändert: Wir können mit weniger Aufwand schwerere Dinge tun. Der Hebel hilft uns auf dem Feld, beim Bau, fast in jedem technischen Bereich waren Kenntnisse über den Hebel wichtig und nützlich.

Was musste vorher erfunden werden?

Ein Hebel ist eine einfache Maschine. Einfache Maschinen brauchten meistens keine Erfindungen vorher. Tatsächlich könnte der Hebel sogar das erste Ding sein, das Menschen jemals erfunden haben.