Technik einfach erklärt (TEE)

In der Rubrik 'Technik einfach erklärt' ziehen wir einige aufschlussreiche und leicht verständliche Themen aus dem tec.LEHRERFREUND heraus. Trinken Sie in aller Gemütlichkeit eine Tasse TEE und lesen Sie folgende Themen:

Technik einfach erklärt #1

Wo kommt das Zusammensetzen von Kräften vor?

Sie gehen zu ihrem Computer und tun zwei Dinge:
a) Sie setzen sich auf den Drehstuhl und ziehen ihn in eine Ihnen angenehme Position: Sie üben eine Zugkraft auf den Stuhl auf; gleichzeitig bremst der Boden die Stuhlrollen mit einer bestimmten Widerstandskraft.
b) Ihr kleines Kind möchte unbedingt gerne zusehen, was Sie da am Computer machen: Sie nehmen es auf Ihren Schoß. Jetzt wirken zwei senkrechte Kräfte nach unten. Diese werden von den Stuhlrollen aufgenommen und wirken – gestützt vom Boden - nach oben.
Weil man die Wirkungsrichtungen und Beträge der Kräfte am verständlichsten mit Kraftskizzen darstellt, finden Sie im folgenden tec.LEHRERFREUND-Beitrag eine Menge erläuternder Skizzen:

Kräfte (1): Kräfte zusammensetzen

In einer Reihe von tec.LEHRERFREUND-Beiträgen wird über die zeichnerische Darstellung von Kräften gesprochen. Hier geht es um das Zusammensetzen von Kräften.

Kräfte zusammensetzen, Vorschaubild

Technik einfach erklärt #2

Lesen Sie in TEE 1 noch einmal die Sache mit dem Drehstuhl

Sie werden nicht nur einmal die ärgerliche Erfahrung gemacht haben, dass Sie den Drehstuhl wegziehen wollten und dabei stürzte er um. An diesem Missgeschick war eine Kraft beteiligt, die an einem unerwarteten Abstand - zwischen der ziehenden Hand und den Drehrollen – wirkte. Eine Kraft, die mit einem Abstand (den man auch Hebelarm nennt) zusammenarbeitet, nennt man eine Hebelkraft. Sie ist so wichtig, dass sie der Ursprung des Hebelgesetzes ist.

Hebelgesetz und Drehmoment

Ein Hebel ist ein starrer Körper, der um seine Achse drehbar gelagert ist. Außerhalb seines Drehpunktes wirken Kräfte auf ihn und erzeugen Drehmomente. Grundgesetz: Wirksame Kraft und Hebelarm stehen senkrecht aufeinander.

Hebelgesetz und Drehmoment (Ausschnitt)
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    Technik einfach erklärt #3

    Kleines technisches Wunderwerk

    So einfach das alles anmutet: Der Regenschirm ist in Wirklichkeit ein kleines technisches Wunderwerk. Wenn wir es genau nehmen, steckt er voller Aussagen aus TEE 1. Beim Aufspannen des Schirms wirken Ihre Handkraft und Federkräfte zusammen.

    Regenschirm

    Warum öffnet sich ein Regenschirm von selbst, wenn man auf den Knopf drückt? Das macht die Feder, wird man vermuten. Das stimmt, doch sie alleine wäre hilflos, hätte sich der Erfinder nicht noch etwas einfallen lassen.

    Regenschirm - technische Zeichnung (Ausschnitt)

      Technik einfach erklärt #4

      Kommen Sie aus dem Gleichgewicht?

      Betrachten wir auch hier zunächst einige alltägliche Vorkommnisse. Sie rücken ein Haushaltsgerät – weil die Küchen-Arbeitsplatte voll mit anderem Zeug steht – an den Tischrand. Da Sie sein Gewicht nicht bedacht haben, passiert es: Das Gerät stürzt auf den Boden. Jeden Tag haben Sie mit einem (leider sehr unsicheren) Gerät zu tun: mit dem Fahrrad. Der Fahrradständer hat sich unbemerkt gelockert, das Rad stürzt um. Überall wirken Hebel mit.
      Auch in diesem Beitrag kann man die immense Bedeutung des Hebelgesetzes (siehe TEE 2) studieren.

      Gleichgewichtslagen und Standsicherheit

      Die Lage des Schwerpunktes eines Körpers in bezug auf seine Standfläche bestimmt seine Standsicherheit. Die Gleichgewichtslagen sagen etwas darüber aus, wie sicher oder «wackelig« ein Körper steht.

      Gleichgewichtslagen, Vorschaubild

        Technik einfach erklärt #5

        Die Bierbank

        Sie besuchen ein Fest und sitzen zusammen mit einer anderen, gewichtigen Person auf einer Bank beim Biertisch. Sie haben sich am Bankende platziert. Als Ihr Nachbarn unvermittelt aufsteht, schnappt die leer gewordene Bank unter Ihrem Gewicht nach oben und Sie sitzen auf dem Boden. Was ist passiert? Bis zum Aufstehen Ihres Nachbarn waren die Bankfüße zwei verlässliche Lagerstellen. Dieser Zustand änderte sich plötzlich mit dem Aufstehen Ihres Nachbarn. TEE 4 passt hierher.
        In Geräten, Maschinen und Ähnlichem laufen oft Wellen, auf denen Lasten wie Riemenscheiben, Zahnräder usw. sitzen. Die Maschinenkomponenten, die diese Lasten aufnehmen, sind meistens Gleitlager oder Wälzlager. Wenn die Last nicht in der Mitte zwischen den Lagern sitzt, werden die Lager ungleich belastet. Die Lagerkräfte kann man mit Hilfe des Hebelgesetzes ausrechnen.

        Lagerkräfte berechnen

        Eine der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten des Hebelgesetzes liegt in der Berechnung von Achs- und Lagerbelastungen.

        Lagerkräfte (Ausschnitt)

          Technik einfach erklärt #6

          Die Fahrradpumpe

          Wenn Ihr Fahrradreifen nicht genügend Druck hat, pumpen Sie ihn auf. Das Hilfsmittel dafür ist die Fahrradpumpe. Sie besteht aus dem geschlossenen Pumpenrohr und dem Kolben. Beim von Hand ausgeführten Pumpenhub entsteht vor dem Kolben ein Luftdruck, der die gespannte Luft durch das Reifenventil in den Schlauch strömen lässt. In technischen Geräten wird die Handkraft durch Motorantriebe ersetzt.

          Hydraulik (1): Kolbenkräfte

          Ein großer Teil der in Handwerk und Industrie eingesetzten Maschinen und Geräte wird mit pneumatischen und hydraulischen Systemen betrieben. Die Hydraulik überträgt Kräfte überwiegend mit Öl, die Pneumatik mit Luft. Kraftübertragungselemente sind oft in Zylindern gleitende Kolben. Wie berechnet man die Kolbenkräfte?

          Kolbenkräfte (Ausschnitt), Vorschaubild
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            Technik einfach erklärt #7

            Eine Schlüsselmaschine

            Unter der Unzahl von Baumaschinen gilt der Bagger als »Schlüsselmaschine«, in der man Bau- und Arbeitsprinzipien vieler anderer Baumaschinen wiederfindet.

            Bagger

            Unter der Unzahl von Baumaschinen gilt der Bagger als »Schlüsselmaschine«, in der man Bau- und Arbeitsprinzipien vieler anderer Baumaschinen wiederfindet.

            Bagger: Oberwagen und Unterwagen (Kettenbagger) (Ausschnitt)

              Technik einfach erklärt #8

              Wann schlägt das Rückschlagventil zurück?

              Das Grundprinzip: Eine von einem Motor angetriebene Pumpe (= Hydropumpe) erzeugt einen unter Druck stehenden Ölstrom (Volumenstrom, Förderstrom), der zu einem Ölverbraucher (Hydrozylinder oder Hydromotor) geleitet wird. Dort wird die im Förderstrom gespeicherte Druckenergie in mechanische Energie zurückverwandelt. Solche Systeme bezeichnet man als hydrostatische Antriebe. Daneben gibt es die hydrodynamischen Antriebe.
              (p.s. Das Ventil schlägt nicht zu oder zurück, aber die Kugel: Sie schlägt im richtigen Moment auf ihren Kegelsitz, damit das Öl den (beschwerlichen) Weg über das Drosselventil nehmen kann. Allerdings singt da kein Vogel, sondern die Ölgeschwindigkeit und damit die Kolbengeschwindigkeit werden gedrosselt, also verlangsamt.)

              Hydraulische Antriebe (1): Grundaufbau

              Hydraulik und Pneumatik sind technische Disziplinen der Fluidtechnik. Die tec.LEHRERFREUND-Beiträge »Hydraulische Antriebe« wollen dem Leser den Aufbau hydraulischer Grundschaltungen vermitteln. Hier finden Sie eine solche Schaltung in Real- und Symboldarstellung nach DIN ISO 1219.

              Grundaufbau (Ausschnitt), Vorschaubild

                Technik einfach erklärt #9

                Heute schon gepumpt?

                Im Haushalt verwenden wir manche originelle Pumpenkonstruktion, ohne genau zu wissen, wie sie funktioniert. Ihre Aufgabe: Flüssigseife, Reinigungsmittel usw., ja sogar Parfüm aus einer Vorratsflasche an ihr Ziel zu befördern. Das kann die schmutzige Hand sein, ein Waschbecken, die Haut.

                Seifenspender-Pumpe

                Die Seifenspenderpumpe ist interessant, weil sie im Prinzip wie der Sprühkopf aufgebaut ist, aber einige Unterschiede dazu aufweist.

                Seifenspenderpumpe - technische Zeichnung (Ausschnitt)

                  Technik einfach erklärt #10

                  Raserei im 19. Jahrhundert

                  Hier geht es weniger um eine technische Beschreibung als vielmehr um ein amüsantes Ereignis, das einen Chauffeur der ganz frühen Autoepoche in Bedrängnis brachte.

                  Strafzettel anno 1895: Benz-Motor-Pferd

                  Alexander Gütermann aus Gutach wurde am 16. Mai 1895 zu einer Geldstrafe von drei Mark verdonnert, weil er mit seinem Benz-Motor-Pferd nachmittags zwei Uhr mit einer derartigen Geschwindigkeit durch Denzlingen fuhr, »dass in einer Wirtschaft die Vorhänge geflattert haben«.

                  Briefmarke 1961–75 Jahre Motorisierung des Verkehrs
                  Bild: Wikimedia [CC0 (Public Domain)]
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                    Technik einfach erklärt #11

                    Das Fahrrad

                    Nehmen wir ein technisches Gerät aus dem täglichen Leben, von dem niemand behaupten würde, es sei einfach aufgebaut: das Fahrrad. Es ist deswegen keine einfache Konstruktion, weil es erst aus der Kombination einfacher Maschinen entsteht. Zu den einfachen Maschinen zählt man Seil, Stange, Rolle, Hebel und Schiefe Ebene. Wo finden wir diese Grundkonstruktionen am Fahrrad?
                    Seil: Als Erweiterung zur Kette. In sich ist die Kette wesentlich komplizierter als das Seil, denn sie besteht aus Stangen ( = Kettenglieder, Kettenbolzen) und diversen Rollen.
                    Stangen: Mehrere (hohle) Stangen bilden den Rahmen. Bremsen, Lenkeinrichtung.
                    Rollen: Räder, Wälzkörper in den Lagern
                    Hebel: Pedale, Kettenräder, Schalthebel, Fahrradständer
                    Schiefe Ebene: Befestigungsgewinde, Spreizkonus im Vorbau

                    Einfache Maschinen (1)

                    Es gibt vier grundlegende, einfache Maschinen: Seil und Stange, Rolle, Hebel, Schiefe Ebene. Jede aufwendigere Maschine ist eine Kombination von einfachen Maschinen. Die Berechnung einfacher Maschinen erlaubt einen Einblick in die Welt der Technischen Mechanik.

                    Hebel, Vorschaubild

                      Technik einfach erklärt #12

                      Wenn es reibt und quietscht

                      Im täglichen Leben fragen wir uns selbst und Andere immer wieder: Warum klemmt's? Wo reibt's? Bei der Feststellung: »Da scheint Sand im Getriebe zu sein« hören wir förmlich, wie es reibt und quietscht.
                      Irgendwie kommt uns das Thema unerfreulich vor. Das mag der Grund sein, warum auch im tec.LEHRERFREUND das Thema »Grundlagen der Reibung« im Jahr 2019 nur von etwa 100 Lesern pro Monat aufgerufen wurde. Dabei beschränkt er sich auf ihren rein technischen Aspekt, in dem Verschleiß- und Wärmeverluste eine große Rolle spielen.

                      Wir glauben, die Reibungsproblematik hat mehr Aufmerksamkeit verdient. Zwei Dinge können wir von vorne herein über sie sagen:

                      • Sie ist ein Phänomen, das die Volkswirtschaften der Welt durchgängig unglaubliche Geldsummen kostet
                      • Sie würde uns andererseits in die größten Schwierigkeiten stürzen, wenn es sie nicht gäbe

                      Denken Sie nur …

                      • … an abgefahrene und deshalb leicht rutschende Fahrzeugreifen
                      • … an Schäden beim Gehen, Fahrrad- oder Autofahren auf Blitzeisstraßen
                      • an Bremsen, auf deren Beläge unbemerkt Öl geraten ist

                      Reibung (1): Grundlagen

                      In allen mechanischen Geräten spielt die Reibung eine wichtige Rolle. In der Regel möchte man sie unbedingt vermeiden, weil sie den Wirkungsgrad verringert. Andererseits gibt es Systeme, die ohne Reibung nicht funktionieren würden: Kupplungen und Bremsen beispielweise.

                      Reibung: Grundlagen (Ausschnitt)
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