Flaschenzug

mini|Flaschenzug mini|Flaschenzug mit einer losen Rolle und zwei tragende Seilstücke: Jedes Seilstück trägt die Hälfte der Gesamtlast. Zum Heben der Last muss jedoch der doppelte Weg zurückgelegt werden. Die Hubarbeit bleibt dabei unverändert: Ein Flaschenzug ist eine Maschine, die den Betrag der aufzubringenden Kraft z. B. zum Bewegen von Lasten verringert. Der Flaschenzug besteht aus festen und losen Rollen und einem Seil. Bei komplizierten Flaschenzügen sind die Rollen mittels „Scheren“ zum Block zusammengefasst. Flaschenzüge werden dabei oft als Teil eines größeren Mechanismus eingesetzt, beispielsweise bei einem Kran, wie etwa einem Fahrzeugkran oder einem Turmkran oder in einem Elektroseilzug.

Geschichte mini|hochkant=1.4|Griechisch-römischer Trispastos („3-Rollen-Zug“), der einfachste antike Krantyp (1800 N Last bei 150 N Hebelkraft) mini|links|Aufrichtung des Obelisken auf dem Petersplatz mit Hilfe von 50 Flaschenzügen

Bereits in der Antike war die Kraftminderung durch Anwendung der Hebelgesetze bekannt. Der Erfinder des Flaschenzugs ist nicht bekannt (evtl. Archytas), aber die Erfindung des zusammengesetzten FlaschenzugesDie einfachen Maschinen (Deutsches Museum) (PDF; 29 MB) wird Archimedes zugeschrieben.Plutarch: Bíoi parálleloi, Marcellus 14,8 (engl. Übers. Thayer, Loeb 1917); vgl. Polybios, Historíai 8, 5-7 (engl. Übers. Thayer, Loeb 1922ff). berichtete, dass Archimedes ein beladenes Kriegsschiff mittels Flaschenzügen und seiner eigenen Körperkraft aus dem Arsenal des Königs gezogen haben soll. Eine erste bildliche Darstellung der Kombination von Seil und einfacher Rolle befindet sich jedoch schon auf einem assyrischen Relief um 970 v. Chr. Mit Seilen verspannte Einbaumkräne, die über drei („Trispastos“) oder fünf Rollen („Pentaspastos“) liefen, sind seit 750 v. Chr. bekannt.

Zur Geschichte des Krans siehe Geschichte der Krane.

Vitruv, ein römischer Architekt, Ingenieur und Architekturtheoretiker des 1. Jahrhunderts v. Chr., beschrieb in seinem 10. Buch über den Maschinenbau ausführlich den Trispastos, Pentaspastos und Polyspastos. Zu jener Zeit war es aber kaum möglich, Seile für Flaschenzüge mit sehr vielen Rollen in der erforderlichen Länge und Tragfähigkeit herzustellen, oder sie waren in der benötigten Anzahl fast unbezahlbar.

Der griechische Mathematiker und Ingenieur Heron von Alexandria lebte vermutlich im 1. Jahrhundert und befasste sich ebenfalls mit dem Flaschenzug. Unter der regen Bautätigkeit der römischen Kaiser war der Baukran unentbehrlich zur Errichtung der Arenen. Dank verschiedener Umlenkrollen konnten die Bedienungsmannschaften bis zu sieben Tonnen schwere Steinblöcke heben. Im 6. Jahrhundert, um das Jahr 530, wurde ein Kalksandsteinmonolith mit einem Gewicht von 230 Tonnen als Schlussstein des Kuppeldaches für das Mausoleum des Theoderich bei Ravenna mittels komplizierten Flaschenzügen von 700 Arbeitern auf 16 Meter Höhe gebracht.GEOEPOCHE, Nr. 76, S. 139. Auch Leonardo da Vinci machte sich in seinen Erfindungen (bspw. im Codex Atlanticus,Kranbild mit Flaschenzug von Leonardo Beweglicher Flaschenzug an Kran Codex Forster II & IIIFlaschenzugstudie von Leonardo. Leonardos „Hebemaschine“. vitruvio.imss.fi.it) den Flaschenzug zunutze. lrh10.fh-bielefeld.de

In der Renaissance fand der Flaschenzug seine spektakulärste Anwendung beim Transport und der Aufrichtung des Obelisken auf dem Petersplatz in Rom vom 30. April bis 16. September 1586 durch den Ingenieur Domenico Fontana. radiovaticana.orgMoving the Vatican Obelisk. pruned.blogspot.de 907 Arbeiter und 75 Pferde drehten an den 40 Spillen und zogen damit über UmlenkrollenAnordnung der Umlenkrollen auf dem Boden. purl.pt an bis zu 220 Meter langen SeilenThe sky is the limit: human powered cranes and lifting devices. lowtechmagazine.com (…The obelisk was raised using a wooden lifting tower 27.3 metres tall, ropes up to 220 metres long, 40 capstans, 800 men and 140 horses…) unterschiedliche Stückzahlangaben die an einem gigantischen Holzgerüst hängenden 40 Flaschenzüge, um den 330 Tonnen schweren und 25,31 Meter langen Obelisken in die Senkrechte zu bringen.Anordnung der 40 Spillanlagen um den Obelisken, Bild: Anordnung der FlaschenzügeBild mit verschiedenen Blöcken mit bis zu je 6 Rollen (um 1600) Bild: Anordnung der Blöcke am Obelisk

Bis 1861 blieb der Flaschenzug und seine Anwendung weitgehend unverändert. Erst mit dem Differenzialflaschenzug, zum ersten Mal in London eingesetzt, konnte eine Effizienzsteigerung erreicht werden. Heute werden Flaschenzüge vor allem bei Kränen oder Spannvorrichtungen (Radspannwerke) für Fahrdrähte eingesetzt. Funktionsprinzip und Teile des Flaschenzuges

mini|Abb. 1: Erklärung des FlaschenzugsEin Flaschenzug besteht aus mindestens einer losen Rolle (Scheibe) sowie einem Seil. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 1 dargestellt. In A wird ein Gewicht mit der Masse m hochgezogen, wobei die obere Rolle nur die Kraft umlenkt und somit das Gewicht um genau die Strecke angehoben wird, die das Seil gezogen wird (blaue Markierung und blauer Pfeil). In B ist ein einfacher Flaschenzug dargestellt, bei dem das Seil am oberen Balken befestigt ist und das Gewicht an einer Rolle in der Seilschlaufe hängt. Wird hier das Seil um die gleiche Länge wie in A gezogen, so hebt sich das Gewicht nur um die Hälfte an. Die Seilteile links vom Seilabschnitt, an dem gezogen wird, müssen nämlich insgesamt um die Zugstrecke kürzer werden, die sich jedoch auf zwei Seilabschnitte verteilt. Die benötigte Kraft wird folglich halbiert, während das Seil doppelt so lange wie in A gezogen werden muss, um das Gewicht auf eine bestimmte Höhe anzuheben. In C ist ein Aufbau gezeigt, bei dem das Gewicht auf vier Seilabschnitte verteilt wird und folglich nur ein Viertel der Kraft benötigt wird. Die dargestellte Bauweise ist nicht platzsparend und die Rollen könnten zusammengeschoben werden (D). Eine sehr kompakte Bauweise (E) ergibt sich, wenn man die Rollen noch weiter zusammenschiebt und somit die oberen und unteren Rollen jeweils auf einer Achse liegen. Verdreht man die oberen Rollen, so ergibt sich dann die übliche Bauform (F).

Flaschen mini|Der „Block“ (Flasche) eines Flaschenzuges in Metallausführung und Stahlseil (rechts im Bild)Flaschen wurden die Halterungen der Rollen genannt und waren ursprünglich als Block (mhd. plock, ploch „großes“ oder „zusammenhängendes Stück“) aus einem Stück Hartholz (Esche, Rüster) gearbeitet. Heute nennt man die flachen Teile beiderseitig am Rand (Backe, Wange) und zwischen den Rollen (Damm) insgesamt Scheren. In der Seemannssprache wird der Flaschenzug als Talje bezeichnet.

Jungfer werden die meist runden oder halbrunden Holzscheiben mit mehreren Löchern genannt, die der gleichen Funktion dienen, aber keine Rollen beinhalten und beispielsweise zum Spannen der Wanten dienten.

Rollen Die Rollen eines Flaschenzuges wurden früher ebenfalls Flaschen oder auch „Scheiben“ genannt. Der Begriff entstand etwa im 18. Jahrhundert: Bei Webmaschinen, speziell bei Bandwebmaschinen, werden die Spannrollen, welche die Kettfäden immer gespannt halten, als Flaschen bezeichnet. Bevorzugt sind kugelgelagerte Rollen zu verwenden, um mit wenig Muskelkraft ein günstigeres Übersetzungsverhältnis zu erreichen. Bergsteiger benutzen bei Notlösungen (Spaltenbergung) auch einfache Karabiner, die jedoch durch die Gleitreibung die Zugarbeit erschweren.

Seil Das Seil sollte ein Statikseil sein, um keine unnötigen Dehnungen bzw. Streckung zu erhalten, die den Hub verlängern würden. Für extreme Belastungen werden Stahlseile verwendet. Slacklines, die über den Ellington-Flaschenzug gespannt werden, haben bevorzugt anstelle des Seils ein Flach- oder Schlauchband. Dieser Ellington-Flaschenzug wurde nach seinem Erfinder benannt. bergfreunde.de Die Art und Weise, wie das Seil über die Rollen geführt und eingefädelt wird, bezeichnet man als Einscherung.

Bauformen

Faktorenflaschenzug hochkant=1.9|mini|Verschiedene Faktorenflaschenzüge (n = 1, 2, 3 bzw. 4)Die Rollen bei einem Flaschenzug können sehr unterschiedlich angeordnet sein. Für die Zugkraft entscheidend ist aber immer die Anzahl der tragenden Seile , auf die sich die Last verteilt. In der rechts abgebildeten Grundform des Flaschenzugs ist die Kraft an jeder Stelle des Seils gleich. Die Gewichtskraft der Masse wird daher gleichmäßig auf die tragenden Seile zwischen den unteren und den oberen Rollen verteilt. Die Zugkraft berechnet sich mit der Schwerebeschleunigung zu: . Nach der Goldenen Regel der Mechanik muss der Haken bei zunehmender Zahl der tragenden Seile eine immer längere Strecke bewegt werden, um die gleiche Höhenänderung zu erreichen: . Es lässt sich leicht zeigen, dass die dazu benötigte Energie von unabhängig ist: .

Die Belastung des Deckenhakens () ergibt sich aus der Summe von Zugkraft und Gewichtskraft .

Die Belastung des Deckenhakens nimmt mit jeder weiteren Rolle ab.

Änderung von Zugrichtung und Angriffspunkt hochkant=1.9|mini|Die gleichen Faktorenflaschenzüge (gespiegelt vom oberen Bild) mit geänderter Zugrichtung und dadurch geändertem Verhältnis bei gleicher Gewichtskraft und gleicher Zugstrecke

Wie wichtig auch die Anordnung der Angriffspunkte (Fixpunkt, Zugpunkt und Zugrichtung) ist, zeigt das nebenstehende Bild.

Zugrichtungsänderung Wird die Zugrichtung entgegen der Gewichtskraft gerichtet, reduziert sich die Belastung des Deckenhakens () und ergibt dadurch auch ein anderes Übersetzungsverhältnis. Die entgegengesetzte (aufwärtsgerichtete) Zugkraft () errechnet sich aus der Gewichtskraft () dividiert durch die Anzahl der tragenden Seilstränge= .

Die Belastung des Deckenhakens () ergibt sich aus Gewichtskraft minus entgegengerichteter Zugkraft (). Mit jeder weiteren Rolle erhöht sich daher die Kraft .

Aus der „festen Rolle“ des oberen Bildes wird (gespiegelt) eine „lose Rolle“; das Verhältnis der Zugkraft () zur Gewichtskraft () ändert sich damit von 1:1 auf 1:2. Die Zugkraft an der Decke (bzw. Deckenhaken) wird halbiert, die Zugstrecke verdoppelt sich. Aus dem Verhältnis 1:2 beim einfachen Flaschenzug wird somit 1:3. Entsprechend wird das Verhältnis beim dreifachen Flaschenzug von 1:3 zu 1:4.

Angriffspunktänderung Beispielsweise werden bei der seilunterstützten Baumklettertechnik die vorgenannten Faktorenflaschenzüge auch mit vertauschten Fixpunkten verwendet. Dadurch kann, wenn mit getauscht wird, ein anderer Angriffspunkt genommen werden.

Potenzflaschenzug

Beim Potenzflaschenzug wird die Krafteinsparung ausschließlich mittels loser Rollen erzielt: Das Seil jeder Rolle ist an der Stütze und der nächsten Rolle befestigt. Während auf die untere lose Rolle noch die volle Gewichtskraft wirkt, wird diese beim unteren Seil schon halbiert, sodass an der oberen losen Rolle nur noch die halbe Kraft angreift. An dieser Rolle wird die Kraft nochmals halbiert. Am Seil der letzten Rolle wirkt schließlich die Zugkraft, die durch eine feste Rolle nach unten umgelenkt wird. Dadurch potenziert sich die Wirkung mit der Anzahl der losen Rollen:

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Differenzialflaschenzug