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Eine Maschine ist ein physikalischer Apparat, das mit Hilfe von Energie Kräfte aufbringt und Bewegungen steuert, um eine Aktion auszuführen. Der Begriff wird üblicherweise auf künstliche Vorrichtungen wie Motoren, aber auch auf natürliche biologische Makromoleküle angewendet.

Maschinen können von Tieren und Menschen, von natürlichen Kräften wie Wind und Wasser sowie von chemischer, thermischer oder elektrischer Energie angetrieben werden und umfassen ein System von Mechanismen, die den Antrieb so gestalten, dass eine bestimmte Anwendung von Ausgangskräften und Bewegungen erreicht wird. Sie können auch Computer und Sensoren enthalten, die die Leistung überwachen und die Bewegung planen, oft als mechanische Systeme bezeichnet.

Einfache Maschinen

Die Naturphilosophen der Renaissance identifizierten sechs einfache Maschinen, die eine Last in Bewegung setzten, und berechneten das Verhältnis von Ausgangskraft zu Eingangskraft, das heute als mechanischer Vorteil (Hebelwirkung) bekannt ist.

Die Idee, dass eine Maschine in einfache bewegliche Elemente zerlegt werden kann, führte Archimedes dazu, den Hebel, die Riemenscheibe und die Schraube als einfache Maschinen zu definieren. Zur Zeit der Renaissance wurde diese Liste erweitert und umfasste nun auch das Rad und die Achse, Keil und schiefe Ebene. Der moderne Ansatz zur Charakterisierung von Maschinen konzentriert sich auf die Komponenten, die eine Bewegung ermöglichen, die so genannten Gelenke.

Schraube

Das häufigste Beispiel ist eine Schraube. Bei den meisten Schrauben kann man die Schraube durch Drehen vorwärts oder rückwärts bewegen, und man kann die Mutter durch Drehen entlang der Welle bewegen, aber kein Druck auf die Schraube oder die Mutter bewirkt, dass sich eine von beiden dreht.

Hebel

Der Hebel ist ein weiteres wichtiges und einfaches Gerät zur Steuerung der Kraft. Dabei handelt es sich um einen Körper, der sich um einen Drehpunkt dreht. Da die Geschwindigkeit eines Punktes, der weiter vom Drehpunkt entfernt ist, größer ist als die eines Punktes in der Nähe des Drehpunktes, werden Kräfte, die weit vom Drehpunkt entfernt wirken, in der Nähe des Drehpunktes durch die damit verbundene Verringerung der Geschwindigkeit verstärkt. Wenn a der Abstand zwischen dem Drehpunkt und dem Punkt ist, an dem die Eingangskraft angreift, und b der Abstand zu dem Punkt, an dem die Ausgangskraft angreift, dann ist a/b der mechanische Vorteil des Hebels. Der Drehpunkt eines Hebels wird als Scharnier- oder Drehgelenk modelliert.

Rad

Das Rad ist eine wichtige frühe Maschine, wie zum Beispiel der Streitwagen. Ein Rad nutzt das Gesetz des Hebels, um die Kraft zu verringern, die zum Überwinden der Reibung beim Ziehen einer Last erforderlich ist. Dies wird deutlich, wenn man bedenkt, dass die Reibung beim Ziehen einer Last auf dem Boden ungefähr der Reibung in einem einfachen Lager entspricht, das die Last auf der Achse eines Rades trägt. Das Rad bildet jedoch einen Hebel, der die Zugkraft so vergrößert, dass sie den Reibungswiderstand im Lager überwindet.

Schiefe Ebene

Auf einer schiefen Ebene kann eine Last durch eine seitlich einwirkende Kraft die Ebene hinaufgezogen werden, aber wenn die Ebene nicht zu steil ist und genügend Reibung zwischen Last und Ebene besteht, bleibt die Last nach Wegnahme der einwirkenden Kraft unbeweglich und rutscht nicht die Ebene hinunter, unabhängig von ihrem Gewicht.

Keil

Ein Keil kann in einen Holzklotz getrieben werden, indem man mit einem Vorschlaghammer auf das Ende schlägt und so die Seiten auseinander drückt, aber keine Druckkraft der Holzwände wird ihn wieder aus dem Klotz herausspringen lassen.

Eigenschaften

  1. Als mechanischer Vorteil bezeichnet man das Verhältnis zwischen der Kraft, die die Maschine auf die Last ausübt, und der Kraft, die auf die Maschine ausgeübt wurde.
  2. Die mechanische Effizienz einer Maschine ist das Verhältnis ihres tatsächlichen mechanischen Vorteils zum idealen mechanischen Vorteil, d. h. ohne Reibung.
  3. Die Energieeffizienz (oder thermodynamische Effizienz) ist das (adimensionale) Verhältnis der von der Maschine geleisteten Arbeit zu der Energiemenge, die sie dafür verbraucht hat.
  4. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Energieeffizienz einer Maschine und der theoretischen maximalen Effizienz, die von ihr erwartet werden kann. Der Wirkungsgrad hat immer einen Wert zwischen 0 und 1 (100 %), während die Effizienz je nach System jeden beliebigen positiven Wert annehmen kann.