Kraftmomente, auch Drehmomente genannt, sind ein grundlegendes Konzept der Physik und beziehen sich auf die Fähigkeit einer Kraft, eine Drehung um einen festen Punkt oder eine feste Achse zu erzeugen.
Das heißt, Kraftmomente erklären, wie eine Kraft dazu führen kann, dass sich ein Objekt dreht, anstatt sich einfach geradlinig zu bewegen.
Nun gehen wir anhand einiger Alltagsbeispiele, die wir alle schon einmal erlebt haben, etwas tiefer in die Thematik ein.
1. Eine Tür öffnen: Der Moment, den wir anwenden, wenn wir einen Griff betätigen
Denken Sie an das letzte Mal, als Sie eine Tür aufgestoßen haben. Wenn Sie in die Nähe der Scharniere drücken, wo die Tür mit dem Rahmen verbunden ist, müssen Sie viel mehr Kraft aufwenden, um sie zu bewegen.
Stattdessen fühlt es sich viel einfacher an, wenn man vom gegenüberliegenden Ende aus drückt oder zieht, wo sich normalerweise der Griff befindet.
Weil?
Hier kommt das Konzept des Kraftmoments ins Spiel. Das Moment ist das Produkt aus der von Ihnen ausgeübten Kraft und dem Abstand vom Drehpunkt (in diesem Fall den Türscharnieren). Indem wir die Kraft von den Scharnieren weg auftragen, vergrößern wir diesen Abstand und damit auch das Moment.
Das bedeutet, dass wir bei gleichem Kraftaufwand eine größere Wirkung beim Öffnen der Tür erzielen. Aus diesem Grund sind die Griffe von den Scharnieren entfernt angebracht, um das Öffnen und Schließen zu erleichtern.
2. Schrauben mit dem Schraubenschlüssel festziehen: Die Wirkung eines Hebels
Beim Anziehen einer Schraube mit einem Schraubenschlüssel üben wir einen Kraftmoment aus.
Wenn wir den Schraubenschlüssel drehen, erzeugen wir eine Rotationskraft um die Achse der Schraube. Dabei ist die Länge des Schlüssels entscheidend.
Je länger es ist, desto weniger Kraft müssen wir aufwenden, um die Schraube zu drehen.
Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine sehr harte Schraube festzuziehen. Wenn Sie einen kleinen Schraubenschlüssel haben, müssen Sie viel Kraft aufwenden. Wenn Sie jedoch einen längeren Schraubenschlüssel verwenden, erhöht sich das Moment, da sich auch der Abstand zwischen der Kraft, die Sie aufbringen, und der Achse der Schraube vergrößert. Dadurch wird das Anziehen der Schraube einfacher.
Mit anderen Worten: Indem wir den Hebel (Schlüssel) verlängern, können wir dafür sorgen, dass die Aufgabe weniger körperliche Anstrengung erfordert.
3. Das Lenkrad eines Autos: Drehen, um die Richtung zu ändern
Wenn wir ein Auto fahren und das Lenkrad drehen, üben wir ein Moment auf die Lenkachse aus.
Ist Ihnen aufgefallen, dass das Lenkrad einen beträchtlichen Durchmesser hat? Das ist kein Zufall. Je weiter unsere Hand von der Lenkachse entfernt ist, desto einfacher ist es, einen Moment aufzubringen und das Lenkrad zu drehen.
Stellen Sie sich vor, Sie würden versuchen, das Lenkrad aus der Mitte zu drehen: Das würde viel Kraft erfordern. Indem wir den Lenkradkranz in einem bestimmten Abstand von der Achse haben, nutzen wir das Momentenprinzip, um eine Lenkung ohne großen Kraftaufwand zu erreichen.
4. Der Schwung: Momente auf den Schwung anwenden
Wir alle haben schon einmal Freude an einer Schaukel gehabt, und wenn wir das tun, erschaffen wir einen Moment rund um die Haken, die die Schaukel am Rahmen halten.
Wenn Sie sich vorwärts und rückwärts bewegen, ändern Sie den Winkel und die Amplitude des von Ihnen ausgeübten Moments, wodurch Sie die Geschwindigkeit und Höhe des Schwungs steuern können.
Tatsächlich erkennen sogar Kinder intuitiv, dass sie die Amplitude ihres Schwungs erhöhen können, wenn sie sich im richtigen Moment nach vorne oder hinten lehnen.
Diese Aktion erzeugt ein Moment, das die Pendelbewegung aufrechterhält und es der Schaukel ermöglicht, mit zunehmender Schwungkraft auf und ab zu gehen.
5. Fahrrad fahren: Bewegung durch Kraftmomente erzeugen
Wenn Sie mit dem Fahrrad in die Pedale treten, üben Sie auch Kraftmomente aus. Durch das Herunterdrücken der Pedale erzeugen Sie ein Moment um die Drehachse des Fahrrads, die sich in der Mitte des Kettenblatts befindet.
Die Kraft, die Sie auf das Pedal ausüben, wird mit dem Abstand von der Mitte des Kettenblatts multipliziert und erzeugt so ein Moment, das das Fahrrad vorwärts treibt.
Darüber hinaus beeinflusst die Größe des Kettenblatts, d. h. der Abstand von der Mitte der Achse, in den die Kettenzähne eingreifen, das übertragene Moment. Je größer das Kettenblatt, desto mehr Kraft kann auf Kette und Räder übertragen werden, wodurch das Treten in bestimmtem Gelände effizienter wird.
6. Der Hebel: eine einfache und leistungsstarke Maschine
Der Hebel ist eines der deutlichsten Beispiele für die Nutzung des Kraftmoments.
Stellen Sie sich eine Situation vor, in der Sie einen schweren Stein vom Boden heben müssen. Wenn Sie versuchen, es direkt anzuheben, ist dies möglicherweise unmöglich. Wenn Sie jedoch eine lange Stange als Hebel verwenden und einen kleineren Stein als Drehpunkt (oder Drehpunkt) in der Nähe des Steins platzieren, den Sie anheben möchten, können Sie ihn relativ einfach bewegen.
Dies geschieht, weil der Hebel es uns ermöglicht, an einem Ende eine Kraft auszuüben, die in Bezug auf den Drehpunkt zu einem Moment wird, wodurch es möglich wird, den Gegenstand am anderen Ende anzuheben. Je länger die Stange ist, die Sie verwenden, desto weniger Kraft benötigen Sie, da das Moment größer ist.
Dasselbe Prinzip macht eine Schubkarre mit ihrem langen Griff und dem Drehpunkt nahe der Ladung so effektiv beim Bewegen schwerer Gegenstände.
7. Der Flaschenzug: Erleichtert das Heben von Lasten
Eine weitere einfache Maschine, die Kraftmomente nutzt, ist die Riemenscheibe.
Eine Riemenscheibe ist ein Rad, durch das ein Seil oder Kabel läuft. Indem Sie an einem Ende des Seils ziehen, üben Sie eine Eingangskraft aus, die ein Moment um die Achse der Riemenscheibe erzeugt. Dieser Moment erleichtert das Heben von Lasten am anderen Ende.
Die Riemenscheiben können in Kombination verwendet werden, beispielsweise in einem Verbund-Riemenscheibensystem, um den Kraftaufwand weiter zu reduzieren. Durch die Erhöhung der Anzahl der Riemenscheiben erhöhen wir die effektive Distanz, über die die Kraft ausgeübt wird, und damit das Moment.
Dadurch können wir schwere Gegenstände mit minimaler Kraft heben, wie es bei Flaschenzugsystemen von Kränen oder Aufzügen der Fall ist, wie es bei der Rolle im Bild der Fall wäre.
8. Dampfturbinen: Stromerzeugung durch Momente
Ein industrielles Beispiel für die Anwendung von Kraftmomenten sind Dampfturbinen.
In einem Kernkraftwerk wird durch Wärmeenergie erzeugter Dampf auf die Schaufeln einer Turbine gerichtet und übt eine tangentiale Kraft auf das Rad aus.
Diese Kraft wirkt senkrecht zur Achse der Turbine und erzeugt ein Moment, das die Schaufeln und damit die Achse der Turbine dreht.
Diese Drehbewegung wird auf einen Generator übertragen, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dabei ist das vom Dampf erzeugte Kraftmoment entscheidend für die Kreisbewegung, aus der Strom entsteht.
Dieses Beispiel lässt sich auch auf jede andere Anlage übertragen, wie es bei Windkraftanlagen in einem Windpark der Fall wäre.