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Einfache Maschine
Eine einfache Maschine ist ein Werkzeug, das zur Umwandlung einer Kraft dient, um diese möglichst zweckmäßig zur Verrichtung von Arbeit einzusetzen.
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Grundidee und Funktion
Eine einfache Maschine ist ein Werkzeug zur Umwandlung einer Kraft. Sie soll ermöglichen, eine Kraft möglichst zweckmäßig zur Verrichtung von Arbeit einzusetzen. Zu den grundlegenden Beispielen gehören Seil, Hebel, Rolle und schiefe Ebene beziehungsweise Keil. Diese einfachen Maschinen kommen in verschiedenen Kombinationen in fast jeder Kraftmaschine vor.
Im Maschinenbau bezeichnet „Maschine“ meist eine Vorrichtung mit Antriebssystem. Für elementare und direkt zusammengesetzte einfache Maschinen wird deshalb auch die Bezeichnung „Gerät“ verwendet.
Elementare einfache Maschinen
Die elementaren einfachen Maschinen verändern jeweils bestimmte Eigenschaften einer Kraft:
- Das Seil und die Stange verlagern den Punkt, an dem eine Kraft ansetzt.
- Der Hebel verändert sowohl den Ansatzpunkt als auch die Größe einer Kraft.
- Die Rolle verlagert den Angriffspunkt und die Richtung der Kraft.
- Die schiefe Ebene und der Keil verändern die Größe und die Richtung einer Kraft.
Die Begriffe Ansatzpunkt und Angriffspunkt bezeichnen dabei den Ort, an dem die Kraft auf einen Körper oder ein Gerät wirkt.
Zusammengesetzte einfache Maschinen
Mehrere Geräte oder Geräteteile verbinden die Wirkungsweisen elementarer einfacher Maschinen. Je nach Definition werden auch diese Geräte zu den einfachen Maschinen gezählt:
- Der Flaschenzug kombiniert Seil und Rolle.
- Das Wellrad verbindet die Rolle, die hier als Welle wirkt, mit dem Hebel. Die Hebelwirkung entsteht am „Rad“.
- Die Kurbel kombiniert Welle und Hebel.
- Die Schraube verbindet Stange und schiefe Ebene. Die Schraube wurde in der Antike zu den fünf grundlegenden Maschinen gezählt. Zu diesem Zusammenhang gehören auch das Gewinde und die archimedische Schraube.
- Schlagwaffen und Schlagwerkzeuge wie Beil, Hammer und Keulen verbinden Energiespeicherung, Hebelwirkung und Drehmoment.
Bei manchen Anwendungen unterstützt die Schwerkraft die Wirkung, zum Beispiel bei der Waage. Andere Geräte dienen vor allem der Ergonomie, also einer zweckmäßigen Anpassung an die menschliche Handhabung; ein Beispiel ist die Zange.
Historische Verwendung
Der Gebrauch einfacher Maschinen lässt sich vereinzelt bereits im Tierreich beobachten. Einige Schimpansen verwenden Stöcke als Hebel, um Bienennester aufzubrechen.
Hebel und Keile zum Heben schwerer Massen sowie Rollen zum Bewegen von Lasten wurden vermutlich schon bei den ersten steinzeitlichen Bautätigkeiten eingesetzt. Im alten Ägypten verwendete man Umlenkrollen beispielsweise zum Aufstellen von Obelisken. Auch die Römer nutzten Rollen bei ihren Baukränen.
Einfache Maschinen bilden eine Grundlage der Maschine im heutigen Sinn. In der Antike entstanden im Mittelmeerraum und in China ausführliche Arbeiten über Kombinationen einfacher Maschinen. Der Bau der großen Kathedralen des Mittelalters wäre ohne mechanische Maschinen wie Hebelade, Flaschenzug, Seilwinden und Treträder nicht möglich gewesen. Die Treträder wurden von Windenknechten bedient.
Zu den ersten Personen, die sich systematisch mit einfachen Maschinen beschäftigten, gehörte der slowenisch-österreichische Mathematiker Jurij Vega im 18. Jahrhundert.
