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Flaschenzug

SchulversuchMechanikKlasse 7Standard

Worum geht es?

Rollen verwandeln Ziehen: Die feste Rolle ändert nur die Richtung (bequem nach unten ziehen statt heben), die lose Rolle teilt die Last auf zwei Seilstücke: halbe . Kombiniert entsteht der Flaschenzug: Die Last hängt an mehreren tragenden Seilstücken, und die Zugkraft sinkt auf den entsprechenden Bruchteil, bezahlt mit entsprechend mehr Zugweg. Der Versuch vermisst diese Staffel systematisch.

Warum macht man dieses Experiment?

Vom Baukran bis zum Segelboot, vom Fitnessgerät bis zur Seilbahn: Flaschenzüge sind die Standardantwort der Technik auf zu schwere Lasten. Physikalisch sind sie das klarste Beispiel des Prinzips „ gegen Weg tauschen bei fester Arbeit“. Die goldene Regel wird hier Rolle für Rolle abzählbar: Man kann die Kraftuntersetzung an den Seilstücken buchstäblich mit dem Finger nachzählen.

Die physikalische Idee

Dieselbe Last (4,0 kg) wird nacheinander gehoben: direkt, über die feste Rolle, mit einer losen Rolle, mit dem Zwei-Rollen-Flaschenzug (vier tragende Seile). Je Aufbau werden Zugkraft und Zugweg (für festen Hub) gemessen: Kraftstaffel 1, 1, ½, ¼ und Wegstaffel 1, 1, 2, 4 zeigen das Prinzip vollständig.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Flaschenzüge gehören seit der Antike zur Hebetechnik (Archimedes soll ein voll beladenes Schiff allein bewegt haben); der Name kommt von der „Flasche“, dem Rollengehäuse. Moderne Kranhaken tragen nach demselben Abzählprinzip mit bis zu einem Dutzend Seilsträngen.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Von der Rolle zum Flaschenzug

Miss Zugkraft und Zugweg für dieselbe Last in vier Aufbauten (direkt, feste Rolle, lose Rolle, Vierfach-Flaschenzug) und prüfe Abzählregel und goldene Regel.

Gemessen

  • — Zugkraft (in )

    Am Seilende je Aufbau; die Kraftstaffel ist der Hauptbefund.

  • — Zugweg für 20 cm Hub (in )

    Die Gegenrechnung: Wo Kraft sinkt, muss Weg wachsen.

Bekannt

  • — Zahl der tragenden Seilstücke

    Am Aufbau abgezählt: die Vorhersagegröße beider Regeln.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Die beiden Abzählregeln des Flaschenzugs: Kraftteilung und Wegvervielfachung durch die tragenden Seile.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Hebe die 4-kg-Last je Aufbau um h=20 cmh = 20\ \mathrm{cm}: (1) direkt am Kraftmesser, (2) über die feste Rolle, (3) mit einer losen Rolle, (4) mit dem Vierfach-Flaschenzug. Miss jeweils Zugkraft und Zugweg und prüfe beide Abzählregeln samt Arbeitbilanz.

2Vorbetrachtung

Warum die lose Rolle halbiert: Die Last hängt an der Rollenachse, und die Rolle hängt in einer Seilschlaufe: Zwei Seilstücke tragen gemeinsam. Im (reibungsfreien) Seil ist die Spannung überall gleich; jedes Stück trägt die Hälfte, und die Hand hält nur ein Stück. Beim Vierfach-Zug tragen vier Stücke, ein Viertel je Stück. Man zählt die ab.

Warum der Weg mitzieht: Hebt die Last sich um hh, muss jedes tragende Stück um hh kürzer werden, und all diese Verkürzungen zieht die Hand nacheinander aus dem System: s=n⋅hs = n \cdot h. Vorhersagen für h=0,2 mh = 0{,}2\ \mathrm{m}: Kräfte 39,2/39,2/19,6/9,8 N39{,}2 / 39{,}2 / 19{,}6 / 9{,}8\ \mathrm{N} und Wege 0,2/0,2/0,4/0,8 m0{,}2 / 0{,}2 / 0{,}4 / 0{,}8\ \mathrm{m}, das Produkt konstant 7,84 J7{,}84\ \mathrm{J}.

3Geräte / Stoffe

Vier Aufbauten nacheinander am selben Rahmen; gleichmäßig langsam ziehen, während der Bewegung ablesen ( sonst mal mit, mal gegen).

  • Rollen (einzeln und als Flaschenzugpaar)

    Die Kraftwandler: fest montiert oder in der Seilschlaufe hängend.

  • Last 4,0 kg

    Konstante Prüflast (FG=39,2 NF_G = 39{,}2\ \mathrm{N}) durch alle Aufbauten.

  • Federkraftmesser

    Misst die Zugkraft am Seilende in jedem Aufbau.

  • Maßstab

    Misst Lasthub und Seil-Zugweg für die Wegstaffel.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Vier Aufbau-Skizzen nebeneinander mit nummerierten tragenden Seilstücken (1, 1, 2, 4) und den Messpfeilen für F und s.

40 NF = 10 NFlaschenzug mit 4 tragenden Seilstücken4 tragendeSeilstückeEin Viertel der Kraft, vierfacher Weg

Der Flaschenzug mit vier tragenden Seilstücken: Jedes trägt ein Viertel der Last. Die Zugkraft sinkt auf ein Viertel, der Zugweg vervierfacht sich.

feste Rolle20 NF = 20 NRichtung umgekehrtF gleich, s(Zug) = s(Hub)lose Rolle20 NF = 10 NKraft halbierts(Zug) = 2 · s(Hub)Kraft gespart heißt Weg bezahlt

Die zwei Grundbausteine: Die feste Rolle lenkt die nur um (voller Betrag), die lose Rolle hängt in der Seilschlaufe und halbiert sie.

Aufbau: Stativrahmen mit Aufhängepunkten, zwei Einzelrollen und ein Zwei-Rollen-Flaschenzugpaar, Seil, Last 4,0 kg, Federkraftmesser 50 N (und 10 N für die feinen Messungen), Maßstab.

5Durchführung

Je Aufbau: tragende Stücke abzählen und notieren, Last um 20 cm heben, Zugkraft (in Bewegung) und Zugweg messen.

6Beobachtung

Messwerte (Last 39,2 N39{,}2\ \mathrm{N}, Hub 0,20 m0{,}20\ \mathrm{m})
AufbaunnFF in N\mathrm{N}ss in m\mathrm{m}F⋅sF \cdot s in J\mathrm{J}
direkt139,20,207,8
feste Rolle139,50,207,9
lose Rolle220,30,408,1
Vierfach-Flaschenzug410,80,808,6

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Die Abzählregeln stimmen: Die feste Rolle lässt die (fast) unverändert: Sie lenkt nur um. Die lose Rolle liefert gut die Hälfte (20,320{,}3 statt ideal 19,6 N19{,}6\ \mathrm{N}), der Vierfach-Zug gut ein Viertel (10,810{,}8 statt 9,8 N9{,}8\ \mathrm{N}): jeweils der Idealwert plus kleiner Reibungsaufschlag, der mit jeder zusätzlichen Rolle wächst. Die Wegstaffel trifft exakt (0,2/0,2/0,4/0,8 m0{,}2 / 0{,}2 / 0{,}4 / 0{,}8\ \mathrm{m}): Wege kennen keine .

Goldene Regel als Bilanz: Ideal wären überall 7,84 J7{,}84\ \mathrm{J}; gemessen wachsen die Produkte leicht (7,8→8,6 J7{,}8 \to 8{,}6\ \mathrm{J}). Das ist der Reibungspreis der zusätzlichen Rollen, genau das Thema des Wirkungsgrad-Experiments (η=7,84/8,6≈91 %\eta = 7{,}84/8{,}6 \approx 91\ \% beim Vierfach-Zug). Kraft lässt sich beliebig teilen; bezahlt wird mit Weg, und ein Aufschlag geht an die Reibung.

8Fazit

Die Zugkraft sinkt auf FG/nF_G/n, der Zugweg wächst auf n⋅hn \cdot h (Staffeln 1, 1, ½, ¼ und 1, 1, 2, 4 bestätigt); die Arbeit bleibt bis auf den wachsenden Reibungsaufschlag konstant: Der Flaschenzug tauscht gegen Weg nach Abzählregel.

9Fehlerbetrachtung

Die Kraftmessungen tragen die bekannten Zieh-Unsicherheiten; spezifisch ist die Rollenreibung:

Rollenreibung wächst mit der Rollenzahleher systematisch

Ursache

Jedes Lager und jede Seilbiegung kostet.

Auswirkung

Gemessene liegen systematisch über den Idealwerten, beim Vierfach-Zug am deutlichsten (10 Prozent).

Verbesserung

Leichtgängige Rollen; Aufschlag als Wirkungsgrad ausweisen statt wegzudiskutieren.

Gewicht der losen Rolleneher systematisch

Ursache

Die Flasche wird mitgehoben.

Auswirkung

Zusätzliche Zugkraft, die nicht der Nutzlast dient: mischt sich mit der .

Verbesserung

Rollengewicht wiegen und in der Bilanz benennen.

Ablesen im Anfahrmomenteher zufällig

Ursache

Losbrechkraft über der Gleichmäßig-Zieh-Kraft.

Auswirkung

Einzelablesungen zu hoch.

Verbesserung

Nur während gleichmäßiger Bewegung ablesen.

Das Wichtigste

Die Abzählregel

Zugkraft =FG/n= F_G / n mit nn = Zahl der tragenden Seilstücke (die Stücke, die die lose Flasche halten: das Zugseil zur Hand zählt nur, wenn es nach oben abgeht).

Die Wegregel

Zugweg =n⋅h= n \cdot h: Jedes tragende Stück muss um hh verkürzt werden. Der Kraftgewinn wird exakt mit Weg bezahlt.

Feste gegen lose Rolle

Fest: nur Umlenkung (Komfort). Lose: Kraftteilung (Physik). Der Flaschenzug stapelt lose Wirkungen.

Keine Arbeit geschenkt

F⋅s=FG⋅hF \cdot s = F_G \cdot h in jedem Aufbau (ideal): Die goldene Regel gilt Rolle für Rolle.

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