Mechanismen & Gelenke

Ein Motor kann eigentlich nur eines: sich drehen. Trotzdem fährt die Nadel der Nähmaschine auf und ab, der Scheibenwischer pendelt hin und her und die Zange packt zu. Zwischen der simplen Drehung und der nützlichen Bewegung sitzen Mechanismen: Ketten aus starren Gliedern und Gelenken, die eine Bewegungsform in eine andere übersetzen. Wer sie lesen kann, versteht das Innenleben fast jeder Maschine.

Die Kurbel: Drehen wird Hin und Her

Der wichtigste Übersetzer ist der Kurbeltrieb. Ein Zapfen sitzt im Abstand $r$ von der Drehachse und beschreibt einen Kreis, eine Pleuelstange verbindet ihn mit einem Schlitten, der nur geradeaus kann. Ergebnis: Der Schlitten pendelt zwischen zwei Endpunkten, sein Hub beträgt genau $2r$. In der Nähmaschine treibt so eine Kurbel die Nadelstange. Der Automotor nutzt denselben Mechanismus rückwärts: Dort schiebt der Kolben die Pleuelstange und zwingt die Kurbelwelle ins Drehen.

Exzenter und Kurvenscheibe

Manchmal braucht man gar kein Gelenk, ein verschobener Mittelpunkt genügt. Ein Exzenter ist eine runde Scheibe, deren Welle absichtlich nicht durch den Mittelpunkt geht, sondern um die Versetzung $e$ daneben sitzt: Bei jeder Umdrehung hebt und senkt ihr Rand alles, was auf ihr aufliegt, um $2e$, also um die doppelte Versetzung. Kurvenscheiben treiben das weiter, ihr Rand ist eine frei geformte Kurve, die einem Stößel einen präzisen Bewegungsfahrplan aufprägt. So öffnet die Nockenwelle im Motor jedes Ventil im exakt richtigen Moment.

Hebelketten im Alltag

Hängt man mehrere Hebel aneinander, entsteht ein Gestänge. Der Scheibenwischer ist das Schulbeispiel: Ein kleiner Motor dreht eine Kurbel, ein Gestänge macht daraus das Pendeln der Wischarme, und beide Arme laufen dabei sauber im Takt. Auch die Zange ist eine Hebelkette aus zwei Hebeln mit gemeinsamem Drehpunkt, und bei Bolzenschneidern sind gleich zwei Hebelpaare hintereinandergeschaltet. Deren Übersetzungen multiplizieren sich, aus Handkraft werden tausende Newton an der Schneide.

Auch hier regiert die goldene Regel

So verschachtelt ein Mechanismus auch ist, die goldene Regel der Mechanik gilt an jedem Gelenk: Kraft mal Weg bleibt erhalten, abzüglich Reibung. Bewegt sich die Zangenschneide nur ein Fünftel so weit wie deine Hand, drückt sie fünfmal so stark zu. Wie groß dieser Vorteil ausfällt, verraten die Abstände zum Drehpunkt, also zum Gelenk der Zange: Greift deine Hand 20 cm vom Gelenk entfernt, der Draht aber nur 4 cm, legt die Hand den fünffachen Weg zurück, denn 20 geteilt durch 4 ergibt 5. Konstrukteure verfolgen die Bewegung deshalb Glied für Glied durch die Kette und wissen am Ende genau, wie schnell, wie weit und wie kräftig das letzte Glied arbeitet.