Physik für die Hilfeleistung: Kraft, Druck, Hebel, Rolle

Das Wichtigste in Kürze

Physik hilft beim Heben, Ziehen und Abstützen: Wer Kraft, Druck, Hebel und Rolle versteht, wählt Geräte und Unterlagen richtig und überlastet nichts.
Kraft = Masse mal Beschleunigung. Im Feuerwehrdienst rechnet man mit 10 m/s² statt 9,81. Ein Körper mit 1 kg wiegt damit rund 10 N.
Goldene Regel der Mechanik: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zugeben. Das gilt für Hebel, schiefe Ebene, Rolle und Flaschenzug.
Druck = Kraft durch Fläche. Eine größere Auflagefläche (Unterlegholz) senkt den Druck auf den Boden.
In einem geschlossenen Hydrauliksystem herrscht überall der gleiche Druck. Damit lässt sich Kraft übersetzen (Spreizer, Rettungszylinder, hydraulische Presse).

Kraft und Gewichtskraft

Kräfte erkennt man daran, dass sie Körper verformen oder ihren Bewegungszustand ändern. Sie haben Angriffspunkt, Betrag und Richtung und werden als Pfeil dargestellt.
Gewichtskraft ist ein Sonderfall: Masse mal Fallbeschleunigung. Beispiel: Ein Löschfahrzeug mit 11.000 kg zulässiger Gesamtmasse drückt mit 110.000 N, also 110 kN, auf den Boden.

Wo zwei Körper aufeinander gleiten, entsteht Reibung. Sie hängt von der Gewichtskraft und von der Reibungszahl μ (ohne Einheit) ab, nicht von der Größe der Fläche.
Gleitmittel wie Fett, Öl, Graphit, Wasser oder Lehm verringern die Reibung.
Haftreibung (Körper steht still) ist größer als Gleitreibung (Körper bewegt sich). Beispiele für Haftreibungszahlen: Stahl auf Stahl trocken 0,15 bis 0,30, Stahl auf Eis 0,027, Holz auf Holz trocken 0,40 bis 0,60. Geschmiert sinkt der Wert deutlich.

Arbeit ist Kraft mal Weg in Wegrichtung. Beispiel: Eine Zugkraft von 750 N über 10 m ergibt 7.500 J.
Leistung ist Arbeit durch Zeit. Dauert es dabei 60 Sekunden, sind das 125 W.

Druck ist Kraft durch Fläche. Dieselbe Last drückt auf eine kleine Fläche viel stärker als auf eine große.
Beispiel Wagenheber: 50.000 N auf 0,01 m² ergeben 50 bar auf das Holz. Verteilt das Unterlegholz (0,0625 m²) die Last, sind es nur noch 8 bar auf den Boden.
Daher bei Heben und Abstützen immer Unterlegmaterial mit großer Fläche verwenden.

In einem geschlossenen System ist der Druck überall gleich (Pascalsches Gesetz). Die Kraft verhält sich dabei wie die Fläche des Kolbens.
Beispiel hydraulische Presse: Für 20 kN am großen Kolben (100 cm²) braucht man am kleinen Kolben (4 cm²) nur 800 N. Der kleine Kolben muss dafür einen entsprechend größeren Weg zurücklegen.

Ein starrer Körper, der sich um einen festen Punkt dreht, ist ein Hebel. Es gilt: Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm.
Zweiseitiger Hebel: Der Drehpunkt liegt zwischen Kraft und Last. Einseitiger Hebel: Kraft und Last liegen auf derselben Seite. Winkelhebel: Der Hebel ist abgewinkelt.
Beispiel: 100 kg am Arm von 0,4 m halten 50 kg am Arm von 0,8 m im Gleichgewicht. Ein längerer Kraftarm bedeutet weniger Kraft, zum Beispiel mit Brechstange oder verlängertem Hebel.

Wer eine Last über eine schiefe Ebene hebt, braucht weniger Kraft, aber einen längeren Weg. Es gilt Kraft mal Länge = Gewichtskraft mal Höhe (ohne Reibung).
Beispiel: Eine Tragkraftspritze mit 180 kg soll über 6 m lange Bohlen auf eine 1,5 m hohe Mauer. Nötig sind 450 N (zuzüglich der Kraft gegen die Reibung).
Auch ein Keil und die Schneide am Feuerwehrbeil sind schiefe Ebenen.

Feste Rolle: Der Drehpunkt liegt in der Mitte, Kraftarm und Lastarm sind gleich lang. Die Zugkraft ist gleich der Last, nur die Richtung ändert sich (Umlenkrolle).
Lose Rolle: Der Drehpunkt liegt am Rand, Verhältnis 2:1. Man braucht nur die halbe Zugkraft, zieht aber den doppelten Weg.
Flaschenzug: Verbindung aus fester und loser Rolle. Die feste Rolle lenkt die Zugrichtung um, damit man bequem nach unten ziehen kann.