Читать книгу Hals über Kopf - Richard P. McCall - Страница 16

Bei der Erklärung der Drehmomente und ihrer Rolle bei der Bewegung des menschlichen Körpers ist es hilfreich, eine bestimmte Art von Drehmomenten zu betrachten, die man als Hebel bezeichnet. Ein Hebel ist ein einfaches Werkzeug, das zum Heben schwerer Objekte oder zur Leistung anderer Arbeit verwendet wird. Beispiele für Werkzeuge, die Hebel verwenden, sind eine Schere, eine Schubkarre oder eine Pinzette. Bei der Verwendung eines Hebels sind drei wichtige Gesichtspunkte zu bedenken. Da ist zunächst der Punkt, an dem die Kraft von einer Person oder einem Objekt angewendet wird. Zweitens übt der Hebel, wenn er seine Arbeit verrichtet, eine Kraft auf das Objekt aus, das geschnitten, gehoben oder gehalten werden soll, und das Objekt übt am Kontaktpunkt eine Reaktionskraft auf den Hebel aus. Diese Reaktionskraft wird als Last bezeichnet. Und drittens gibt es noch einen Punkt, um den sich der Hebel dreht, der als Drehpunkt bezeichnet wird. Bei einer Schere entspricht der Drehpunkt dem Punkt, an dem die beiden Klingen in der Nähe der Mitte verbunden sind. Bei einer Schubkarre entspricht der Drehpunkt dem Punkt, an dem das Rad den Boden berührt, und bei einer Pinzette ist der Drehpunkt der Endpunkt, an dem ihre beiden Hälften miteinander verbunden sind.

Abb. 1.6 Drei Arten von Hebeln, eingeteilt nach der relativen Position des Drehpunkts, des Last- und des Kraftangriff spunktes

Je nach der Anordnung dieser drei Punkte unterscheidet man zwischen drei Arten von Hebeln: einem einseitigen Hebel mit einem Lastangriff innerhalb des Kraftangriffs, einem zweiseitigen Hebel oder einem einseitigen Hebel mit einem Lastangriff außerhalb des Kraftangriffs (Abb. 1.6). Bei einem zweiseitigen Hebel greifen die Kraft und die Last auf gegenüberliegenden Seiten des Drehpunktes an. Ein Beispiel für einen zweiseitigen Hebel ist eine Schere: Die Kraft wirkt auf die Griffe und die Last auf die Klingen ein, wobei Griffe und Klingen auf gegenüberliegenden Seiten des Drehpunktes liegen. Eine Wippe ist ein weiteres Beispiel. Hier fungiert das Gewicht der beiden Personen wechselseitig als Kraft und Last. Ein anderes Beispiel ist ein Hammer, dessen Kopf auf einer Seite über eine Kerbe verfügt, mit der man Nägel herausziehen kann, ein Schraubendreher, den man zum Abheben des Deckels einer Farbdose verwendet, und ein zweirädriger Handwagen, mit dem man Kisten oder eine Ladung Bücher transportieren kann. Auch bei einem langen Stab, den man über ein als Drehpunkt dienendes Objekt unter ein anderes Objekt schiebt, handelt es sich um einen zweiseitiger Hebel. Wenn man auf sein freies Ende nach unten drückt, hebt man das Objekt, unter das er geschoben wurde. Der Hauptvorteil derartiger Werkzeuge besteht darin, dass die von ihnen aufgewendete Kraft wahrscheinlich wesentlich geringer sein wird als die Last, weil der Hebelarm der Kraft im Vergleich zum Hebelarm der Last ziemlich lang ist. Man bezeichnet dies als mechanischen Vorteil. In unserem Körper gibt es viele Stellen, an denen die Position eines Muskels keinen solchen mechanischen Vorteil mit sich bringt.

Bei einseitigen Hebeln mit einem Lastangriffspunkt außerhalb oder innerhalb des Kraftangriffspunkts befindet sich der Drehpunkt in der Nähe eines der beiden Enden und die Ansatzpunkte der Kraft und der Last liegen auf derselben Seite. Bei einem einseitigen Hebel mit einem Lastangriffspunkt innerhalb des Kraftangriffspunkts greift die Last näher am Drehpunkt an als die Kraft, bei einem einseitigen Hebel mit einem Lastangriffspunkt außerhalb des Kraftangriffspunkts ist es umgekehrt. (Viele der Muskeln unseres Körpers arbeiten nach diesem Prinzip.) Eine Schubkarre ist ein Beispiel für einen einseitigen Hebel mit einem Lastangriffspunkt innerhalb des Kraftangriffpunkts. Der Drehpunkt (der Punkt, an dem das Rad den Boden berührt) befindet sich an einem Ende, die Last ist das Gewicht des mit der Schubkarre transportierten Materials (einschließlich des Eigengewichts der Schubkarre), und die Kraft wird von der Person aufgebracht, die die Schubkarre an ihren Griffen hebt. Zwei weitere Beispiele sind ein Nussknacker und ein Schraubenschlüssel. Bei einem einseitigen Hebel mit einem Lastangriffspunkt innerhalb des Kraftangriffpunkts ist die Kraft kleiner als die Last, weil der Hebelarm länger ist (und ein mechanischer Vorteil zum Tragen kommt). Auf diese Weise lassen sich große Kräfte zur Bewältigung einer Aufgabe einsetzen, wie zum Beispiel zum Heben einer Last in einer Schubkarre, zum Knacken einer Nuss oder zum Festziehen der Mutter einer Schraube, indem nur eine wesentlich geringere Kraft aufgewendet wird.

Eine Pinzette ist ein Beispiel für einen einseitigen Hebel mit Lastangriffspunkt außerhalb des Kraftangriffspunkts, bei dem sich der Drehpunkt an dem Punkt befindet, wo die beiden Hälften der Pinzette miteinander verbunden sind. Die Kraft wird hier an einem Punkt irgendwo in der Mitte der beiden Hälften der Pinzette angewendet und die Last an deren Ende durch das, was damit gehalten wird (oder durch das Ende der jeweils anderen Pinzettenhälfte, wenn nichts damit gehalten wird). Weitere Beispiele sind ein Heftapparat oder eine Schaufel (wobei eine Hand am Ende den Drehpunkt darstellt und die andere Hand die Schaufel hebt). Bei diesen einseitigen Hebeln mit einem Lastangriffspunkt außerhalb des Kraftangriffspunkts ist die Kraft größer als die Last, weil der Hebelarm der Kraft kürzer ist als derjenige der Last (und damit eine Verringerung der Kraft vorliegt). Bei vielen Muskeln unseres Körpers liegt diese Situation ebenfalls vor.