Schiefe Ebene & Keil

Wie bekommt man einen Kühlschrank auf einen Umzugswagen, wenn niemand ihn stemmen kann? Man legt ein Brett an und schiebt. Die schiefe Ebene ist die vielleicht älteste Maschine der Menschheit, schon die Baumeister der Pyramiden zogen ihre Steinblöcke über Rampen. Ihr Trick ist simpel und genial: Sie verwandelt ein steiles Heben in ein langes, flaches Schieben.

Gleiche Arbeit, längerer Weg

Ob du eine Kiste senkrecht hochwuchtest oder über eine Rampe schiebst, oben angekommen steckt dieselbe Hubarbeit in ihr: Gewichtskraft mal Höhe. Die Rampe verteilt diese Arbeit aber auf einen längeren Weg. Ist die Rampe dreimal so lang wie die Höhe, brauchst du ohne Reibung nur ein Drittel der Kraft, denn $F \cdot s = G \cdot h$. Je flacher die Rampe, desto kleiner die Kraft und desto weiter der Weg.

Serpentinen: Rampen im Gebirge

Eine Passstraße könnte den Berg direkt hinaufführen, aber dann müsste jeder Motor gegen eine enorme Steigung ankämpfen. Stattdessen windet sich die Straße in Serpentinen: Aus 2 km Luftlinie werden 12 km Fahrstrecke, dafür sinkt die Steigung auf ein Sechstel. Angegeben wird die Steigung in Prozent, also Höhenunterschied geteilt durch Streckenlänge, mal 100. Ein Schild mit 8 Prozent bedeutet demnach 8 m Anstieg auf 100 m Straße. Radfahrer, Lokomotiven und beladene Lkw nutzen alle denselben Handel, kleine Kraft über einen langen Weg statt großer Kraft über einen kurzen.

Der Keil: eine wandernde Rampe

Dreh die schiefe Ebene um und treibe sie ins Material, dann heißt sie Keil. Ein Axtblatt ist nichts anderes: Der Schlag treibt den Keil ein Stück weit ins Holz, und die flachen Flanken drücken die Fasern mit vervielfachter Kraft auseinander. Je spitzer der Keil, desto größer die Übersetzung. Messer, Nägel, Reißzwecken und sogar deine Schneidezähne arbeiten nach dem Keilprinzip.

Die Schraube: eine aufgewickelte Rampe

Wickle ein Papierdreieck um einen Bleistift und du siehst ein Schraubengewinde entstehen. Eine Schraube ist eine Rampe, die sich um einen Zylinder windet. Pro Umdrehung wandert sie nur um die Gewindesteigung nach vorn, oft nur einen Millimeter, während deine Hand am Schraubenzieher viele Zentimeter Umfang zurücklegt. Diese riesige Übersetzung macht Schraubzwingen und Wagenheber so stark. Und weil das Gewinde so flach ansteigt, klemmt die Reibung darin die Schraube fest, sie dreht sich nicht von allein wieder heraus.