⚙️ Einfache Maschinen — Hebel, Flaschenzüge & schiefe Ebenen

Nur die Komponente des Lastgewichts, die entlang der Neigung wirkt, W·sin(θ), muss überwunden werden, um die Last eine reibungsfreie Rampe hinaufzuschieben — der Rest wird von der Normalkraft der Rampe getragen. Eine flachere Rampe (kleineres θ) verringert diese Komponente, sodass du mit weniger Kraft schiebst, aber du musst die volle Rampenlänge L = h/sin(θ) zurücklegen, um dieselbe Höhe h zu erreichen, was länger ist als h selbst. Weniger Kraft, mehr Strecke, gleiche Gesamtarbeit.

Im Hebel-Modus ordnen die Klassenschaltflächen Drehpunkt, Kraft und Last entlang des Balkens neu an, und die Armlängen-Regler legen den Kraftarm a und den Lastarm b fest. Im Flaschenzug-Modus legt der Seilsegment-Regler fest, wie viele Seilstränge den beweglichen Flaschenzugblock tragen, von 1 bis 6. Im Modus der schiefen Ebene legt der Winkelregler die Steilheit der Rampe von 5° bis 80° bei einer festen Höhe von 2 m fest. Der Lastgewicht-Regler und der Ausgangsverschiebungs-Regler gelten für jeden Modus, da sie die Aufgabe definieren, die die Maschine erfüllen muss.

Eine ideale Maschine verliert keine der Eingangsarbeit an Reibung, Wärme oder Verformung, sodass die gesamte eingebrachte Arbeit als nutzbare Arbeit herauskommt: Wirkungsgrad = 100 %. Reale Maschinen bleiben immer dahinter zurück — Lager, Seil- und Rampenoberflächen erzeugen alle Reibung, sodass ein Teil der Eingangsarbeit als Wärme verschwendet wird, und der reale Wirkungsgrad liegt immer unter 100 %. Das bedeutet, eine reale Maschine benötigt eine etwas größere Eingangskraft, als diese ideale Simulation vorhersagt, um dieselbe Last dieselbe Strecke zu bewegen.

Ein mechanischer Vorteil unter eins bedeutet, dass du mehr Kraft aufbringen musst, als die Last wiegt, was nach einem schlechten Tausch klingt — aber der Gewinn ist Geschwindigkeit und Strecke am Lastende. Da d_ein/d_aus = MV < 1, bewegt sich das Lastende weiter und schneller als das Kraftende bei derselben Kraftbewegung. Das ist genau das, was du von einer Pinzette möchtest, die etwas Empfindliches aufnimmt, einer Angelrute, die einen Köder weit wegschleudert, oder deinem Unterarm, der einen Hammer schwingt — Reichweite und Geschwindigkeit zählen mehr als rohe Kraft.

Für jede gewählte Ausgangsverschiebung d_aus berechnet der Simulator die passende Eingangsverschiebung d_ein = MV × d_aus, dann multipliziert er jede Strecke mit ihrer entsprechenden Kraft: Arbeit ein = F_ein × d_ein, Arbeit aus = F_aus × d_aus. Da F_ein = F_aus/MV und d_ein = MV × d_aus, sind diese beiden Produkte im reibungsfreien Fall immer mathematisch identisch, was das Telemetrie-Panel nebeneinander anzeigt.

Hebel erscheinen in Brecheisen, Scheren, Schubkarren, Flaschenöffnern, Nagelknipsern und Pinzetten. Flaschenzugsysteme heben Segel auf Segelbooten, hieven Motorblöcke in einer Werkstatt und heben Materialien auf Baukranen und Aufzügen. Schiefe Ebenen erscheinen als Laderampen für Lastwagen, Rollstuhlzugangsrampen, Serpentinen-Bergstraßen und sogar die Rampen, die antike Baumeister wahrscheinlich verwendeten, um schwere Steinblöcke zu heben. Alle drei lassen eine kleinere oder bequemere Kraft die Aufgabe einer größeren, unbequemeren Kraft erledigen.