Die schiefe Ebene ist eine der sechs klassischen einfachen Maschinen, die es ermöglicht, ein Kräftesystem zu verbessern oder umzuleiten, um mechanische Arbeit zu erleichtern.
Wenn Sie darüber nachdenken, haben Sie wahrscheinlich eine schiefe Ebene gesehen oder sogar benutzt, ohne es zu merken.
Ein typisches Beispiel ist eine Rampe. Stellen Sie sich vor, Sie tragen einen schweren Koffer und müssen ihn eine Treppe hinauftragen. Es wäre doch viel einfacher, es hochzutragen, wenn es eine Rampe gäbe, anstatt es direkt die Treppe hinaufzuheben, oder? Nun, das ist eines der Grundprinzipien der schiefen Ebene: Sie erleichtert die Bewegung schwerer Gegenstände im Vergleich zur vertikalen Bewegung.
Was ist eine schiefe Ebene?
Eine schiefe Ebene ist eine Fläche, die gegenüber dem Boden geneigt ist, ohne vollständig vertikal oder horizontal zu sein. Es liegt irgendwo dazwischen, wie die Rampe, über die wir gesprochen haben.
Vereinfacht ausgedrückt: Wenn wir in der Physik von einer schiefen Ebene sprechen, meinen wir damit, wie sich diese Neigung auf die Kraft auswirkt, die zum Bewegen eines Objekts erforderlich ist.
Wenn Sie beispielsweise eine Rampe hinaufsteigen, wenden Sie weniger Kraft an, als wenn Sie versuchen würden, den Gegenstand direkt vertikal anzuheben. Dies liegt daran, dass die schiefe Ebene die Kraft über eine größere Distanz verteilt.
Wichtig ist, dass Sie zu jedem Zeitpunkt zwar weniger Kraft aufwenden, diese aber über eine größere Distanz anwenden müssen. Auch wenn die Kraft abnimmt, bleibt die geleistete Arbeit gleich.
Wie funktioniert die schiefe Ebene?
Um die Funktionsweise dieser einfachen Maschine besser zu verstehen, müssen wir über Kräfte sprechen.
In der Physik sind Kräfte alles, was ein Objekt bewegen, seine Richtung ändern oder anhalten kann. Im Fall der schiefen Ebene wirken mehrere Kräfte, wenn Sie versuchen, ein Objekt entlang der schiefen Ebene zu bewegen.
Die wichtigsten sind:
- Die Schwerkraft: Dies ist die Kraft, die Objekte zur Erde anzieht. Es wirkt immer vertikal, also nach unten.
- Die Normalkraft: Dies ist die Kraft, die von der Oberfläche der schiefen Ebene auf das Objekt ausgeübt wird und senkrecht zu dieser Oberfläche steht.
- Reibungskraft: Auch Reibungskraft genannt. Dabei handelt es sich um die Kraft, die der Bewegung zwischen zwei in Kontakt stehenden Oberflächen, beispielsweise dem Objekt und der schiefen Ebene, entgegenwirkt.
- Die ausgeübte Kraft: Dies ist die Kraft, die Sie oder jemand anderes aufwendet, um das Objekt entlang der schiefen Ebene zu bewegen.
Die Zerlegung der Kräfte
Die Schwerkraft ist die Kraft, die immer vorhanden ist und auf alles wirkt, was Masse hat. Auf einer schiefen Ebene wird die Schwerkraft in zwei Komponenten bzw. Teile zerlegt:
- Eine Komponente senkrecht zur schiefen Ebene: Dies ist der Teil der Schwerkraft, der das Objekt gegen die schiefe Ebene drückt.
- Eine Komponente parallel zur schiefen Ebene: Dies ist der Teil der Schwerkraft, der das Objekt bergab „drückt“. Wenn es keine Reibung gäbe und wir keine andere Kraft anwenden würden, würde diese Komponente das Objekt nach unten rutschen lassen.
Wenn wir eine schiefe Ebene haben, kann die Schwerkraft, wie ich bereits erwähnt habe, in zwei Richtungen unterteilt werden: eine, die parallel zur schiefen Ebene wirkt (versucht, das Objekt nach unten zu schieben) und eine andere, die senkrecht zur Ebene verläuft (d. h. sie drückt auf das Objekt). gegen die Oberfläche).
Um dies besser zu veranschaulichen, stellen Sie sich vor, Sie platzieren einen Block auf einer schiefen Ebene und üben keine Kraft mehr aus.
Aufgrund der Schwerkraft wird der Block versuchen, die Rampe hinunterzurutschen. Weil? Weil die parallele Komponente der Schwerkraft in diese Richtung wirkt.
Wenn der Winkel der schiefen Ebene klein genug ist und genügend Reibung vorhanden ist, bewegt sich der Block nicht. Wenn der Winkel jedoch größer wird, beginnt der Block zu gleiten.
Formeln und mathematische Berechnungen
Sobald wir uns darüber im Klaren sind, wie Kräfte zerlegt werden, können wir einige grundlegende Formeln verwenden, um zu analysieren, was auf einer schiefen Ebene geschieht.
Mathematisch ausgedrückt ist die Schwerkraft gleich der Masse des Objekts (m), multipliziert mit der Erdbeschleunigung (g), das heißt:
F Schwerkraft =m⋅g
Nun kann diese Schwerkraft in die beiden zuvor erwähnten Komponenten zerlegt werden, wenn wir ein wenig grundlegende Trigonometrie anwenden:
- Die Komponente senkrecht zur schiefen Ebene:
F\perpendicular =m⋅g⋅cos(θ)
- Die Komponente parallel zur schiefen Ebene:
F \parallel =m⋅g⋅sin(θ)
Wobei θ der Neigungswinkel der Ebene ist.
Mithilfe dieser Gleichungen können wir verstehen, wie die Schwerkraft verteilt ist, wenn sich ein Objekt auf einer schiefen Ebene befindet.
Das Interessante ist, dass die Kraft, die Sie aufwenden müssen, um ein Objekt eine Rampe hinaufzuheben, direkt von dieser Parallelkomponente abhängt.
Vorteile der schiefen Ebene
Einer der wichtigsten Vorteile der schiefen Ebene besteht darin, dass sie den Kraftaufwand zum Anheben eines Objekts verringert. Anstatt einen schweren Gegenstand direkt vertikal anzuheben, was einen großen Kraftaufwand erfordern würde, können Sie diese Kraft mithilfe einer schiefen Ebene reduzieren.
Wenn Sie beispielsweise einen 100 kg schweren Gegenstand vertikal anheben würden, müssten Sie eine Kraft aufbringen, die der auf den Gegenstand wirkenden Schwerkraft entspricht, d. h. 100 kg multipliziert mit 9,8 m/s², was 980 N (Newton) ergibt.
Wenn Sie jedoch eine schiefe Ebene verwenden, ist die benötigte Kraft geringer, da die Ebene die Arbeit über eine größere Distanz verteilt. Je länger die schiefe Ebene und je kleiner ihr Winkel ist, desto weniger Kraft müssen Sie aufwenden.
Reibung auf der schiefen Ebene
Wir können nicht über schiefe Ebenen sprechen, ohne die Reibung zu erwähnen. Reibung ist die Kraft, die der Bewegung zwischen zwei sich berührenden Oberflächen entgegenwirkt.
Bei einer schiefen Ebene wirkt die Reibung entgegengesetzt zur Bewegung des Objekts.
Es gibt zwei Arten von Reibung, die wir auf einer schiefen Ebene berücksichtigen könnten:
- Haftreibung: Es handelt sich um die Kraft, die verhindert, dass sich ein Objekt im Ruhezustand in Bewegung setzt. Wenn Sie einen Block auf einer schiefen Ebene platzieren, ist es die Haftreibung, die ihn an Ort und Stelle hält.
- Gleitreibung: Es handelt sich um die Kraft, die auf ein bereits in Bewegung befindliches Objekt wirkt. Sobald das Objekt zu gleiten beginnt, wirkt kinetische Reibung seiner Bewegung entgegen.
Die Reibung hängt von zwei Hauptfaktoren ab: der Art der Oberfläche und der Normalkraft.
Auf einer schiefen Ebene ist die Normalkraft geringer, als wenn sich das Objekt auf einer ebenen Fläche befände, da die Normalkraft senkrecht zur schiefen Ebene und nicht nach unten gerichtet ist. Das bedeutet, dass die Reibung auf einer schiefen Ebene geringer ist, als wenn Sie versuchen würden, dasselbe Objekt auf einer horizontalen Fläche zu bewegen.