Mechanische overbrengingen en hefbomen

Waarom dit ertoe doet

Een fiets, een eierklopper, een schaar, een kruiwagen, een vlaggenmast: ze werken allemaal dankzij een paar eenvoudige mechanische principes. De minimumdoelen van de derde graad vragen dat leerlingen de belangrijke mechanische overbrengingen kennen: tandwielen, riemen en kettingen, hefbomen en katrollen, en dat ze de werking van technische systemen kunnen verklaren vanuit natuurkundige verschijnselen 1.

Wat doet een overbrenging?

Een overbrenging brengt een beweging (en kracht) over van een aandrijving naar het deel dat moet bewegen. Een werktuig vraagt vaak een andere snelheid of kracht dan de aandrijving levert; daarom zit er een overbrenging tussen 2. Het doel van een overbrenging is snelheid om te zetten in kracht of omgekeerd; ze kan ook de draairichting of de plaats van de beweging veranderen 3.

Tandwielen

Een tandwiel is een getand wiel dat samen met andere getande onderdelen beweging overbrengt en de snelheid of richting kan veranderen 5.

• Draairichting: twee tandwielen die rechtstreeks in elkaar grijpen, draaien in tegengestelde richting 5. Zet je er een derde tandwiel tussen, dan draait het laatste weer in dezelfde richting als het eerste.
• Snelheid: de overbrengingsverhouding wordt bepaald door het aantal tanden (of de diameter) 3.
  • Een groot wiel drijft een klein wiel aan: het kleine wiel draait sneller, maar met minder kracht.
  • Een klein wiel drijft een groot wiel aan: het grote wiel draait trager, maar met meer kracht.

Toepassingen: een handmixer of eierklopper, een uurwerk, een opwindbaar speelgoedautootje, een draaimolen in de speeltuin.

Riemen en kettingen

Liggen twee assen verder uit elkaar, dan gebruik je een riem of een ketting.

• Riemoverbrenging: een riem loopt over twee riemschijven (poelies) op evenwijdige assen 2. Beide schijven draaien in dezelfde richting. Een riem kan wat slippen, waardoor de gedreven schijf iets trager draait dan berekend 2. Voorbeelden: naaimachine, boormachine op een statief, distributieriem in een automotor.
• Kettingoverbrenging: een ketting loopt over twee kettingwielen (tandwielen die niet rechtstreeks in elkaar grijpen maar via de ketting verbonden zijn) 5. Ook hier draaien beide wielen in dezelfde richting, en net als bij tandwielen is er geen slip 2.

Voor riemen en kettingen geldt dezelfde regel voor de snelheid als bij tandwielen: van groot naar klein gaat sneller, van klein naar groot gaat trager maar krachtiger.

De fiets

Bij een fiets zorgt de fietsketting voor de krachtoverbrenging van de pedalen naar het achterwiel via de kettingwielen 6. Met een derailleur wordt de ketting van het ene kettingwiel naar het andere gebracht, zodat het verzet verandert 7.

Hefbomen

Een hefboom is een staaf die kan draaien rond een draaipunt (steunpunt). Met een kleine kracht en een grote beweging kan je een grote last een kleine afstand verplaatsen 4. Archimedes zou gezegd hebben: "Geef mij een steunpunt en ik verplaats de aarde" 4.

Begrippen:

• draaipunt (steunpunt): het punt waarrond de hefboom draait;
• last: wat je wil verplaatsen;
• kracht (ook "macht"): wat jij uitoefent;
• lastarm en krachtarm: de afstand van de last en van de kracht tot het draaipunt.

De hefboomwet: bij evenwicht is kracht × krachtarm = last × lastarm 4. Hoe langer de krachtarm, hoe minder kracht je nodig hebt.

Drie soorten hefbomen

Je deelt hefbomen in volgens wat er in het midden ligt 4:

Een tang bestaat uit twee hefbomen die door een scharnier verbonden zijn; dat scharnier is het draaipunt 8. Ook een fiets bevat hefbomen, bijvoorbeeld de remgrepen aan het stuur.

Katrollen

Een katrol is een wiel met een groef waarin een touw ligt, en dat om een as draait. Een katrol verandert de trekrichting van het touw 9.

• Vaste katrol: bevestigd aan een vast punt (bijvoorbeeld bovenaan een vlaggenmast of hijskraan) 9. Ze verandert alleen de richting van de kracht: je trekt naar beneden om de last omhoog te halen. Je hebt even veel kracht nodig als het gewicht van de last.
• Losse katrol: bevestigd aan de last zelf 9. De last hangt aan twee touwdelen, zodat je maar de helft van de kracht nodig hebt 9, maar je moet wel dubbel zoveel touw binnenhalen.
• Een takel combineert meerdere katrollen, zodat je een zware last met een beperkte kracht kan verplaatsen 9.

Samengevat

• Een overbrenging brengt beweging en kracht over en kan snelheid, kracht en richting veranderen; wat je wint aan kracht, verlies je aan afstand.
• Tandwielen die in elkaar grijpen, draaien in tegengestelde richting. Groot drijft klein aan: sneller. Klein drijft groot aan: trager maar krachtiger.
• Bij riemen en kettingen draaien beide wielen in dezelfde richting; een riem kan slippen, een ketting niet.
• Fiets: groot vooraan en klein achteraan geeft een zwaar verzet (snel); klein vooraan en groot achteraan een licht verzet (bergop).
• Hefboomwet: kracht × krachtarm = last × lastarm. Eerste soort: draaipunt in het midden (wip, schaar). Tweede soort: last in het midden (kruiwagen, notenkraker). Derde soort: kracht in het midden (pincet).
• Een vaste katrol verandert de richting van de kracht; een losse katrol halveert de nodige kracht maar verdubbelt de touwlengte.