Wikijunior Wie Dinge funktionieren/ Flaschenzug

Ein 150 Jahre alter Kran an einem Kanal bei Heilbronn.

Ein Flaschenzug besteht aus mehreren Rollen. Diese lenken ein Seil um. Deshalb braucht man weniger Kraft, um etwas Schweres zu bewegen. Wir müssen aber länger am Seil ziehen, wenn wir mehr als eine Rolle benutzen, wir sagen: Es muss ein weiterer Weg zurückgelegt werden. Eine Rolle ist ein Rad mit einer Kerbe an der Kante, wo ein Seil aus Natur-, Kunst- oder Metallfasern geführt werden kann.

Mit der Rolle wird eine Kraft umgelenkt, mit mehreren wird Kraft gegen Weg eingetauscht. So können schwere Lasten einfacher gehoben und bewegt werden, du kennst vielleicht große gelbe Kräne auf Baustellen, die genau dieses Prinzip benutzen.

Wer hat's erfunden?

Die Herkunft der Rolle ist unbekannt. Aber es gibt Hinweise darauf, dass Rollen schon eingesetzt wurden, um die großen Steine von Stonehenge (spricht sich: Stounhensch) zu versetzen. Einer der ersten Namen, der mit Rollen und Flaschenzügen in Verbindung gebracht wird ist Archimedes; ein berühmter griechischer Wissenschaftler aus Syrakus (einem griechischen Hafen) vor vielen, vielen Jahren. Archimedes studierte viele Bereiche der Wissenschaft und erfand viele Dinge und man erzählt, dass er Flaschenzüge benutzte um ein Schiff aus dem Wasser an Land zu ziehen.

Wie funktioniert es?

Ein einfacher Flaschenzug.

Ein Flaschenzug ist im einfachsten Fall eine Rolle über die ein Seil gewickelt ist. Damit kann die Richtung einer Kraft geändert werden. Das ist ganz anschaulich zu verstehen, wenn du eine Last an einem Seil hochheben möchtest ziehst Du von unten nach oben daran, führst du das Seil durch eine Rolle, so kannst Du von einer beliebigen Richtung ziehen, um die Last anzuheben. Allerdings kannst du sie nur so weit heben, bis du damit an die Rolle stößt.

Unter einem Flaschenzug verstehen wir normalerweise die Kombination aus zwei oder mehr Rollen und einem Seil. Zieht man am Seil, zieht man die beiden Rollen dichter zusammen. Damit ist es möglich auch zeitgleich noch die Kraft zu ändern. Dies geht aber, wie wir es von anderen einfachen Maschinen auch kennen, aber zu Lasten des Wegs. Das heißt wir können zwar leichter eine schwere Last ziehen, müssen dafür aber länger ziehen.

Flaschenzüge an Kränen werden zum Heben schwerer Baumaterialien benutzt. Nur so können wir hohe Gebäude bauen.

Woher bekommt es seine Energie?

Die Frage, woher der Flaschenzug seine Energie bekommt, ist ein bißchen mißverständlich. Natürlich bekommt der Flaschenzug seine Energie von irgendeinem Antrieb, also entweder einem Motor, oder auch deiner Kraft, wenn du daran ziehst. Der Vorteil des Flaschenzugs ist, dass er Strecke gegen Anstrengung tauscht. Das haben wir auch schon bei anderen einfachen Maschinen gesehen, zum Beispiel bei der schiefen Ebene. Hast du einen Flaschenzug mit zwei Rollen musst Du zwar doppelt so weit aber nur die Hälfte des Gewichts ziehen, um zum Beispiel eine Kiste Wasser anzuheben.

Warum ist das so? Im Kapitel der einfachen Maschinen kannst du das Konzept der Arbeit kennenlernen. Du weißt, wenn Du 4km zur Schule laufen musst, dass das anstrengender ist, als wenn du nur 2km laufen müsstest. Wieviel Aufwand brauchst du, um einen Schritt zu machen, also deinen Körper zu bewegen?

Die Menge an Aufwand, die du auf einer bestimmten Strecke brauchst, nennen wir Arbeit. Damit ist nicht gemeint, dass deine Eltern einer Arbeit nachgeht, sondern der Begriff Arbeit der Physik. Auf englisch heißt das Work (spricht sich: Uörk), abgekürzt $W$. Damit können wir also den Zusammenhang in einer sogenannten Gleichung erfassen $W=F\cdot d$.

$F$ ist der Aufwand, wir nennen das Kraft, $d$ steht für den Weg. Zurück zu unserem Beispiel vom Schulweg: Der Aufwand F den du brauchst um den Weg d zur Schule zu gehen ist also die Arbeit W. Und jetzt ganz zurück zur Wasserkiste. Hebst du sie einfach so auf einen Tisch. Musst du dafür die Höhe des Tisches erreichen und den Aufwand des Gewichts der Kiste tragen. Benutzt du dafür einen Flaschenzug mit zwei Rollen, musst du nur die Hälfte des Gewichts der Wasserkiste tragen, dafür aber doppelt so viel am Seil ziehen, wie der Tisch hoch ist. Die Arbeit bleibt also gleich. Du kannst also eine beliebige Kraft einsetzen, solange du dafür die richtige Weglänge zurücklegst, um etwas bestimmtes zu machen.

Ein Flaschenzug an Bord eines Segelschiffs. Viele Flaschenzüge an Bord von Segelschiffen werden zum Spannen der Segel benutzt.

Ist ein Flaschenzug gefährlich?

Du musst sehr vorsichtig sein, damit du dir in den Rollen nicht die Finger, Kleidung oder Haare einklemmst. Wenn sich das Seil eines motorgetriebenen Flaschenzugs schnell bewegt, kannst du dich dort auch verbrennen. Außerdem hebst du mit einem Flaschenzug schwere Dinge, wenn das Seil reißt oder eine Rolle bricht, kann jemand der dann unter dem schweren Ding steht bösen Schaden nehmen. Daher ist es wichtig, immer darauf zu achten, dass der Flaschenzug das Gewicht, was er tragen soll auch wirklich tragen kann.

Gibt es unterschiedliche Flaschenzüge?

Wir haben schon unterschiedliche Flaschenzüge kennengelernt. Nämlich die einfache Rolle und einen Flaschenzug mit zwei Rollen. Durch mehr Rollen im Flaschenzug, wird es einfacher schwere Lasten zu ziehen, aber es muss auch immer mehr Seil gezogen werden, um die gleiche Höhe zu überwinden.

Es gibt von diesem Grundprinzip viele verschiedene Ableitungen. Ein gutes Beispiel ist ein Segelboot, was meist über mehrere verschiedene Züge für unterschiedliche Dinge verfügt (Zum Beispiel den Baumniederhalter, den Unterliekstrecker oder den Cunninghamstrecker).

Wie hat er die Welt verändert?

Flaschenzüge haben es Menschen ermöglicht schwerere Objekte zu bewegen, als sie das mit ihren bloßen Muskeln könnten. Damit konnten Segelboote gebaut werden, um die Welt zu entdecken. Die Menschen hätten die großen Segel nicht mit ihrer Muskelkraft ziehen können. Der Nutzen in Kränen hat immer höhere Bauwerke ermöglicht.

Was musste vorher erfunden werden?

Das Seil und das Rad.