Wie funktioniert ein Brückenkran - Hebel, Rollen, Hydraulikzylinder und mechanischer Vorteil

Haben Sie schon einmal über die moderne Technik gestaunt? Obwohl viele moderne Technologien und Maschinen in Wirklichkeit sehr kompliziert sind, sind einige davon sehr vernünftig, wenn man den Schnickschnack ausblendet.
Der Baukran ist zum Beispiel eine solche Maschine. Der Kran arbeitet im Allgemeinen mit nur drei einfachen Maschinen. Der Hebel, die Seilrolle und der Hydraulikzylinder.

Hebel

In diesem Artikel werden wir kurz auf einen sehr wichtigen Mechanismus im Baukran eingehen: den Hebel. In drei weiteren Artikeln werden wir die Rolle der Seilrolle, des Hydraulikzylinders bzw. des Konzepts des mechanischen Vorteils bei Baukränen untersuchen.

Wie funktioniert also ein Brückenkran? Die meisten Krane nutzen mehr oder weniger stark den Hebel, um besonders große Lasten zu heben. Fast alle montierten Krane und viele balancierte Krane maximieren die Hubkapazität mit dem Hebel.

Diese Kräne verwenden Hebel oder mechanische Arme, die ihre Kraft erhöhen. Obwohl der mechanische Arm in der Regel von einem komplexen System aus Seilen, Ketten und Umlenkrollen begleitet wird, ist der Hebel selbst nur eine einfache Maschine.

Die Alten haben den Hebel schon lange in der Praxis eingesetzt, um große Tempel, Monumente und Festungen zu bauen. Wissenschaftler gehen sogar davon aus, dass die Ägypter beim Bau der großen Pyramiden höchstwahrscheinlich Hebel verwendet haben.

Die meisten Historiker schreiben die Entwicklung der geometrischen Theorie des Hebels jedoch Archimedes zu. Archimedes, ein Mathematiker und Philosoph, lebte im antiken Griechenland um das dritte Jahrhundert v. Chr. Er soll einmal gesagt haben: "Gebt mir einen Platz zum Stehen, und ich werde die Erde mit einem Hebel bewegen".

Der Hebel selbst ist eine stabile Stange, die auf einem Drehpunkt ruht. Man kann ein Ende mit einer bestimmten Kraft nach unten drücken, um am anderen Ende eine bestimmte "Arbeitskraft" zu erzeugen. Die Arbeitskraft trägt oder hält normalerweise das zu hebende Objekt.

Die Wissenschaftler teilen alle Hebel in drei verschiedene Gruppen ein. Bei Hebeln der ersten Klasse befindet sich der Drehpunkt zwischen der Kraft und der Arbeit, wie bei einer Wippe oder einer Brechstange. Hebel der zweiten Klasse sind Hebel, bei denen die Arbeitskraft zwischen dem Drehpunkt und der Kraft sitzt, wie bei einer Schubkarre. Und bei Hebeln der Klasse drei wird die Kraft zwischen dem Drehpunkt und der Arbeitskraft aufgebracht, wie bei einer Pinzette.

Aber wie funktioniert ein Brückenkran? Wie wir anhand der Seilrolle und des Hydraulikzylinders sehen werden, wirkt der Hebel auf ein Konzept ein, das als Drehmoment bekannt ist. Das Drehmoment misst die Strecke, über die eine Kraft ausgeübt wird, oder Drehmoment ist gleich Kraft mal Strecke.

Wie Archimedes erkannte, ermöglicht die Manipulation des Drehmoments eine größere Hubkapazität. Betrachten wir zum Beispiel eine einfache Wippe auf einem Spielplatz. Die Wippe ist drei Meter lang und dreht sich um eine Stange direkt in der Mitte des Wippbretts. Auf der einen Seite sitzt ein 200 Pfund schweres Kind, und auf der gegenüberliegenden Seite sitzt ein weniger schweres 100 Pfund schweres Kind.

Das dickere Kind wird sicherlich seine Seite der Wippe auf den Boden drücken, während das schmächtigere Kind nach oben steigt. Das kleinere Kind muss zusätzlich 100 Pfund Kraft aufwenden, um die Wippe auszugleichen!

Aber was wäre, wenn er magische Fähigkeiten besäße, die es ihm ermöglichten, seine Seite der Wippe um 5 Fuß zu verlängern. Mit seiner zehn Fuß langen Seite der Wippe und seinem Gewicht von 100 Pfund könnte er die Wippe ausbalancieren. Und theoretisch, wenn er seine Seite auf eine Länge von mehr als 10 Fuß ausdehnen würde, würde seine Seite langsam auf den Boden kriechen und den dickeren Jungen vom Boden abheben.

Doch wie funktioniert ein Brückenkran? Der Hebel beeinflusst zum Teil das Drehmoment, so dass Kräne sehr schwere Lasten heben können. Je mehr man die Kraft auf größere Entfernungen verteilt, desto weniger "Kraftaufwand" ist für den Hub erforderlich. Hebel helfen nicht nur kleinen Kindern, sondern auch Hunderten von Ingenieuren, Architekten und Bauarbeitern, die jeden Tag gigantische Lasten heben!
Bleiben Sie dran für den nächsten Teil unserer Serie "Wie funktioniert ein Brückenkran?", in dem wir die Rolle der Umlenkrolle untersuchen werden. Danach werden wir uns mit dem Hydraulikzylinder und dem Konzept des mechanischen Vorteils befassen.

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Die Manipulation des Drehmoments durch die Riemenscheibe

In meinem letzten Artikel habe ich die Frage gestellt: Wie funktionieren Brückenkräne? Um dieses Rätsel zu lösen, habe ich zunächst die wichtige Rolle des Hebels bei Baukränen untersucht. Heute werden wir sehen, dass die Manipulation des Drehmoments durch die Umlenkrolle, ähnlich wie der Hebel, die Fähigkeit eines Krans, schwere Lasten zu heben, erhöht. In den folgenden Artikeln werden wir uns mit Hydraulikzylindern und dem Konzept des mechanischen Vorteils beschäftigen.

Wie beim Hebel schreiben die Gelehrten Archimedes die früheste theoretische Entwicklung des Flaschenzugs zu. Laut Plutarch, einem griechischen Historiker, behauptete Archimedes, dass er die Welt bewegen könnte, wenn er genügend Flaschenzüge hätte - eine sehr ähnliche Aussage wie sein Vorschlag, die Erde mit einem Hebel zu bewegen. Die Geschichte geht weiter, als König Hieron von Syrakus Archimedes bittet, ein großes Schiff von Hierons Flotte zu bewegen. Am vereinbarten Tag baute Archimedes sein System von Flaschenzügen auf, der König belud das Schiff mit Passagieren und Fracht, und dann saß Archimedes in einiger Entfernung und zog am Seil. Das Ergebnis? Plutarch erklärt, dass sich das Schiff "so sanft und gleichmäßig bewegte, als ob es im Meer gewesen wäre".

Für die Menschen der Antike war dies eine bloße Neuheit, aber heute ist dies eine grundlegende Wissenschaft. Um es grob zu erklären, verteilen Flaschenzüge das Gewicht auf verschiedene Seilsegmente, um das Heben schwerer Gegenstände zu erleichtern. Nehmen wir an, jemand hat einen großen Gegenstand, den er anheben möchte. Er greift nach unten und versucht, ihn mit seiner eigenen Kraft zu heben, aber er schafft es nicht. Um dies zu erleichtern, befestigt er einen Flaschenzug an der großen Last. Dann befestigt er ein Seil an der Decke und zieht dieses Seil durch die Rolle. Als nächstes hebt er das Seil an und hebt schließlich den Gegenstand an. Dies ist möglich, weil das Seil an der Decke die Hälfte der zum Anheben des Gegenstands erforderlichen Kraft liefert, während man selbst die andere Hälfte aufbringt.

Aber warum geschieht das? Die Umlenkrolle verteilt das Gewicht auf zwei Seilabschnitte: die Seite des Seils von der Decke bis zur Umlenkrolle und die andere Seite des Seils von der Umlenkrolle bis zum Heber. Diese Verteilung ist eine Manipulation des Drehmoments, da der Heber die Kraft über eine längere Strecke verteilt. Ob Sie es glauben oder nicht, die Decke hilft Ihnen beim Heben des Objekts, zum Teil, weil wir die Hubkapazität der Deckenkonstruktion nutzen, die die Decke hochhält, so dass der Heber nur die Hälfte der Arbeit leisten muss. Man kann den Hebevorgang noch weiter vereinfachen, indem man weitere Umlenkrollen an verschiedenen Stellen anbringt, aber dann wird die Rechnung etwas komplizierter. Die allgemeine Regel lautet jedoch: Je mehr Rollen, desto mehr Kraft.

Unterschiedliche Konfigurationen von Umlenkrollen erleichtern das Heben. Es gibt drei Arten von Konfigurationen oder Typen von Riemenscheiben. Eine feste Rolle beschreibt ein Rollensystem, bei dem die Achse oder das Rad fest, also unbeweglich ist. Die zweite Art ist eine bewegliche Rolle, bei der sich die Achse oder das Rad frei bewegen kann. Der dritte Typ ist eine kombinierte Riemenscheibe, bei der sowohl feste als auch bewegliche Riemenscheiben verwendet werden. Feste Riemenscheiben ermöglichen eine einfachere Konfiguration, während bewegliche Riemenscheiben die aufgebrachte Kraft vervielfachen, was die Arbeit erleichtert. Unterschiedliche Situationen erfordern unterschiedliche Arten von Riemenscheiben, wie es beim Hebel der Fall war.

Aber was bedeutet das für Krane? Nun, fast alle Kräne verwenden Seilscheiben, aber die häufigste Anwendung von Seilscheiben bei Kränen sind Auslegerkräne. Auslegerkräne haben Drähte, die sich um die Rollen und die Last wickeln. Je mehr Drähte um die beiden gewickelt werden, desto höher ist die Hubkapazität.

Im nächsten Abschnitt von How Cranes Work? ?werde ich die Bedeutung des Hydraulikzylinders erläutern, bevor ich in einem weiteren und letzten Artikel auf die Rolle des mechanischen Vorteils eingehe.

Hydraulikzylinder und mechanischer Vorteil

Kommen wir nun zum dritten Teil unserer Serie über die Wissenschaft der Baukräne, in dem wir uns mit der Rolle des Hydraulikzylinders befassen werden. In den ersten beiden Teilen wurde kurz beschrieben, wie Hebel bzw. Seilrollen zur Hubkraft von Kränen beitragen. Der folgende und letzte Artikel wird sich mit dem vielleicht wichtigsten wissenschaftlichen Prinzip bei der Maximierung der Hubkraft befassen: dem mechanischen Vorteil.

Was also ist ein Hydraulikzylinder? Die einfache Antwort ist ein abgedichteter Zylinder oder ein kreisförmiges Prisma, das vollständig mit einer Art von Flüssigkeit, normalerweise Öl, gefüllt ist und zwei Öffnungen für zwei Kolben aufweist. Die Kolben können in verschiedenen Konfigurationen mit dem Zylinder verbunden sein.

Wenn wir davon ausgehen, dass die Kolben in einem Hydraulikzylinder gleich groß sind und keine Reibung besteht, steigt der andere Kolben mit der gleichen Kraft, Geschwindigkeit und Entfernung nach oben, wenn ein Kolben nach unten gedrückt wird. Wenn man also einen Kolben zwei Zentimeter nach unten drückt, sollte der andere Kolben zwei Zentimeter nach oben drücken.
Der Vorteil dieses Systems besteht darin, dass sich die Kräfte leicht umlenken lassen. Ein horizontal angebrachter Kolben kann einen anderen, vertikal angebrachten Kolben bewegen, während andere Maschinen eine solche einfache Richtungsumkehr nicht zulassen, wie wir bei den Riemenscheiben und Hebeln gesehen haben. Bei Hebeln und Riemenscheiben führt eine nach unten gerichtete Kraft zu einer nach oben gerichteten Kraft und umgekehrt, und eine nach rechts gerichtete Kraft führt zu einer nach links gerichteten Kraft und umgekehrt. Mit dem Hydraulikzylinder kann eine Kraft in einer Richtung in alle möglichen Richtungen übertragen werden, nach oben, unten, vorwärts, rückwärts, rechts oder links.

Andererseits kann der Hydraulikzylinder die Kräfte vervielfachen, indem er das Drehmoment maximiert, wie wir bei Hebel und Riemenscheibe gesehen haben. Wenn ein Kolben eine Fläche von 6 Quadrateinheiten hat und ein anderer Kolben eine Fläche von 2 Quadrateinheiten, dann wirkt die Kraft, die auf den kleineren Kolben drückt, dreimal so stark auf den größeren Kolben. Wenn man zum Beispiel den Kolben mit einer Fläche von 2 Quadrateinheiten mit einer Kraft von 500 Pfund nach unten drückt, dann wird der Kolben mit einer Fläche von 6 Quadrateinheiten mit einer Kraft von 1500 Pfund nach unten gedrückt. Die Strecke, die der größere Kolben zurücklegt, ist jedoch dreimal kleiner als die Strecke, die der kleinere Kolben zurückgelegt hat, um die Kraft von 1500 Pfund zu erzeugen.

Ähnlich wie der Hebel und die Seilrolle wird auch der Hydraulikzylinder bei fast allen Kränen in irgendeiner Form eingesetzt. Der Kran kann einen Hydraulikzylinder verwenden, um die Last direkt anzuheben, aber ein Hydraulikzylinder kann auch verwendet werden, um einen Kranarm zu verlängern oder einen Ausleger oder Balken zu bewegen, der den Hebemechanismus trägt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Hydraulikzylinder aufgrund seiner häufigen Verwendung in Kränen und seiner Manipulation des Drehmoments dem Flaschenzug und dem Hebel sehr ähnlich ist. Der Hydraulikzylinder zeichnet sich jedoch durch seine Fähigkeit aus, Kräfte auf verschiedene Ebenen umzuleiten. Alle drei, Hebel, Seilrolle und Hydraulikzylinder, maximieren jedoch gemeinsam den mechanischen Vorteil beim Heben großer Objekte. In der nächsten Folge werden wir genau untersuchen, was ein mechanischer Vorteil ist und wie er bei Kränen angewendet wird.