Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 7-8, G-Niveau

Einfache Maschinen - Physik

Einleitung

Eine einfache Maschine hilft Dir, eine Kraft günstig einzusetzen. Sie kann den Betrag, die Richtung oder den Angriffspunkt einer Kraft verändern. Typische Beispiele sind Hebel, Rolle, Flaschenzug, schiefe Ebene, Wellrad, Keil und Schraube.

Einfache Maschinen erzeugen keine Energie. Im idealen Fall gilt: Was Du an Kraft sparst, musst Du durch einen längeren Weg ausgleichen. Reibung sorgt in der Wirklichkeit zusätzlich für Energieverluste.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du einfache Maschinen im Alltag erkennen, ihre Wirkung erklären und leichte Aufgaben mit Formeln lösen. Du kannst außerdem die Goldene Regel der Mechanik anwenden und zwischen einem idealen Modell und einer realen Maschine unterscheiden.

Grundidee: Kraft gegen Weg

Eine Maschine kann eine große Last mit einer kleineren Kraft bewegen. Dafür wird der Weg, an dem die kleinere Kraft wirkt, länger. Die mechanische Arbeit berechnet sich bei gleichgerichteter Kraft und Bewegung mit:

$W = F \cdot s$

Dabei ist $W$ die Arbeit in Joule, $F$ die Kraft in Newton und $s$ der Weg in Meter.

Für eine ideale Maschine gilt:

$F_{e i n} \cdot s_{e i n} = F_{a u s} \cdot s_{a u s}$

Die Goldene Regel der Mechanik lautet deshalb: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen.

Ideale und reale Maschine

Im idealen Modell wird die Reibung vernachlässigt. Dann bleibt die mechanische Arbeit gleich. In echten Maschinen treten Reibung, Verformung und Wärme auf. Deshalb ist die nutzbare Arbeit kleiner als die zugeführte Arbeit.

Der Wirkungsgrad ist:

$η = \frac{W_{n u t z}}{W_{z u}}$

Für reale Maschinen gilt $η < 1$ .

Der Hebel

Ein Hebel ist ein starrer Körper, der sich um einen Drehpunkt drehen kann. Beispiele sind Wippe, Nussknacker, Schere, Zange und Brecheisen. Je länger der Kraftarm ist, desto weniger Kraft brauchst Du.

Im Gleichgewicht gilt das Hebelgesetz:

$F_{1} \cdot l_{1} = F_{2} \cdot l_{2}$

$F_{1}$ und $F_{2}$ sind die Kräfte. $l_{1}$ und $l_{2}$ sind ihre senkrechten Abstände zum Drehpunkt.

Beispiel: Eine Last von $300 N$ wirkt in $0,20 m$ Abstand vom Drehpunkt. Du drückst in $0,60 m$ Abstand. Dann brauchst Du ideal nur:

$F = \frac{300 N \cdot 0,20 m}{0,60 m} = 100 N$

Rolle und Flaschenzug

Eine feste Rolle ändert vor allem die Richtung der Zugkraft. Du kannst nach unten ziehen, während die Last nach oben geht. Im idealen Fall wird die benötigte Kraft dadurch nicht kleiner.

Eine lose Rolle bewegt sich mit der Last. Zwei tragende Seilabschnitte teilen die Last. Dadurch halbiert sich im idealen Modell die Zugkraft.

Mehrere feste und lose Rollen bilden einen Flaschenzug. Entscheidend ist die Anzahl $n$ der tragenden Seilabschnitte:

$F_{Z u g} = \frac{F_{L a s t}}{n}$

Für den Zugweg gilt:

$s_{Z u g} = n \cdot h$

Beispiel: Eine Last hat die Gewichtskraft $400 N$ . Bei vier tragenden Seilabschnitten beträgt die ideale Zugkraft $100 N$ . Um die Last einen Meter anzuheben, musst Du vier Meter Seil ziehen.

Die schiefe Ebene

Eine Rampe ist eine schiefe Ebene. Sie vergrößert den Weg und verkleinert dadurch die nötige Kraft. Je flacher und länger die Rampe ist, desto weniger Zugkraft ist im idealen Modell erforderlich.

Ohne Reibung gilt:

$F_{Z u g} \cdot l = F_{G} \cdot h$

Daraus folgt:

$F_{Z u g} = F_{G} \cdot \frac{h}{l}$

Dabei ist $l$ die Länge der Rampe und $h$ ihre Höhe.

Beispiel: Eine Kiste mit $500 N$ Gewichtskraft wird über eine fünf Meter lange Rampe auf einen Meter Höhe bewegt. Ideal sind dafür $100 N$ Zugkraft nötig.

Wellrad und Kurbel

Beim Wellrad sind ein großes Rad und eine kleinere Welle fest verbunden. Eine Kraft am großen Radius erzeugt ein Drehmoment an der kleinen Welle. Beispiele sind Lenkrad, Türknauf, Schraubendrehergriff, Handwinde und Wasserhahn.

Für das ideale Gleichgewicht gilt:

$F_{R a d} \cdot r_{R a d} = F_{W e l l e} \cdot r_{W e l l e}$

Ein großer Radius am Rad ermöglicht eine größere Kraft an der Welle.

Keil und Schraube

Ein Keil kann als bewegte doppelte schiefe Ebene verstanden werden. Er wandelt eine Kraft in seitliche Kräfte um. Messer, Axt, Meißel und Türkeil nutzen dieses Prinzip.

Eine Schraube kann als schiefe Ebene betrachtet werden, die um einen Zylinder gewickelt ist. Beim Drehen entsteht eine Bewegung entlang der Schraubenachse. Eine kleine Drehkraft über einen langen Weg kann dadurch eine große Längskraft erzeugen.

Keil und Schraube zeigen besonders gut: Ein längerer Weg kann den nötigen Kraftbetrag verkleinern.

Einfache Maschinen im Alltag

Viele Geräte verbinden mehrere einfache Maschinen. Eine Schere besteht zum Beispiel aus zwei Hebeln und zwei keilförmigen Schneiden. Ein Fahrrad nutzt Hebel, Räder, Achsen und Zahnräder. Ein Kran kombiniert Seile, Rollen, Flaschenzug, Winde und Hebel.

Achte bei Alltagsgeräten auf drei Fragen: Wo greift die Kraft an? In welche Richtung wirkt sie? Welcher Weg wird länger oder kürzer?

Vergleich

Einfache Maschine	Typische Wirkung	Beispiel
Hebel	Kraftbetrag über unterschiedliche Hebelarme verändern	Wippe
Feste Rolle	Kraftrichtung ändern	Fahnenmast
Lose Rolle oder Flaschenzug	Zugkraft verkleinern und Zugweg verlängern	Kran
Schiefe Ebene	Hubkraft verkleinern und Weg verlängern	Rampe
Wellrad	Drehmoment verändern	Handwinde
Keil	Kräfte seitlich umlenken	Axt
Schraube	Drehung in Längsbewegung umwandeln	Schraubstock

Sicherheit beim Experimentieren

Verwende nur leichte Lasten. Sichere Stative und Rollen gegen Umkippen. Halte Hände und Füße aus dem Fallbereich. Prüfe Seile auf Schäden und trage bei Versuchen mit Keilen oder Werkzeugen eine Schutzbrille. Experimente mit schweren Lasten dürfen nur unter Aufsicht durchgeführt werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was verändert eine einfache Maschine? (Betrag Richtung oder Angriffspunkt einer Kraft) (!Die Masse eines Körpers) (!Die Naturgesetze) (!Die gesamte Energie)

Wie lautet die Goldene Regel der Mechanik? (Was man an Kraft spart muss man an Weg zusetzen) (!Kraft und Weg werden gleichzeitig kleiner) (!Jede Maschine erzeugt zusätzliche Energie) (!Reibung vergrößert den Wirkungsgrad)

Welche Größe ist beim Hebel besonders wichtig? (Der Abstand der Kraftlinie vom Drehpunkt) (!Die Farbe des Hebels) (!Die Temperatur des Drehpunkts) (!Die Form der Last)

Was bewirkt eine feste Rolle im idealen Fall hauptsächlich? (Sie ändert die Richtung der Kraft) (!Sie halbiert immer die Kraft) (!Sie verdoppelt die Arbeit) (!Sie verkürzt immer das Seil)

Wovon hängt die ideale Zugkraft am Flaschenzug ab? (Von der Anzahl der tragenden Seilabschnitte) (!Von der Farbe des Seils) (!Von der Höhe des Raumes) (!Von der Form des Hakens)

Was geschieht bei einer flacheren Rampe? (Die nötige Kraft wird kleiner und der Weg länger) (!Die nötige Kraft und der Weg werden kleiner) (!Die Gewichtskraft verschwindet) (!Die Masse der Last nimmt ab)

Welche Einheit hat die mechanische Arbeit? (Joule) (!Newton) (!Meter) (!Sekunde)

Welche Aussage über reale Maschinen stimmt? (Reibung verringert den Wirkungsgrad) (!Reale Maschinen haben immer einen Wirkungsgrad von eins) (!Reale Maschinen erzeugen Energie) (!Reibung spart Arbeit)

Welches Gerät nutzt das Keilprinzip? (Eine Axt) (!Ein Thermometer) (!Eine Sanduhr) (!Ein Magnetkompass)

Wie kann eine Schraube physikalisch beschrieben werden? (Als aufgewickelte schiefe Ebene) (!Als frei fallender Körper) (!Als elektrische Spule) (!Als elastische Feder ohne Gewinde)

Memory

Hebel	Drehpunkt
Feste Rolle	Richtungsänderung
Lose Rolle	Kraftverkleinerung
Flaschenzug	Tragende Seilabschnitte
Schiefe Ebene	Längerer Weg
Wellrad	Unterschiedliche Radien
Keil	Seitliche Kräfte
Schraube	Gewindegang

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Passende Wirkung
Hebel	Drehung um einen festen Punkt
Feste Rolle	Änderung der Zugrichtung
Flaschenzug	Aufteilung der Last auf Seilabschnitte
Schiefe Ebene	Höhengewinn über einen längeren Weg
Keil	Umleitung in seitliche Kräfte
Schraube	Umwandlung von Drehung in Längsbewegung

...

Kreuzworträtsel

Hebel	Welche einfache Maschine dreht sich um einen festen Punkt?
Flaschenzug	Welche Maschine besteht aus Seil und mehreren Rollen?
Rampe	Wie heißt eine schiefe Ebene im Alltag häufig?
Reibung	Welche Kraft verursacht in realen Maschinen Verluste?
Drehpunkt	Um welchen Punkt bewegt sich ein Hebel?
Wirkungsgrad	Welche Größe vergleicht Nutzarbeit und zugeführte Arbeit?

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Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Maschinen-Safari: Suche zu Hause oder in der Schule sechs einfache Maschinen, fotografiere oder zeichne sie und benenne ihre Wirkung.
Hebel im Alltag: Untersuche Schere, Flaschenöffner oder Nussknacker und markiere Drehpunkt, Kraftarm und Lastarm.
Rampenvergleich: Baue zwei Rampen mit unterschiedlicher Länge und beschreibe, bei welcher Rampe sich eine Last leichter hochziehen lässt.
Begriffsplakat: Gestalte ein Plakat mit Hebel, Rolle, Flaschenzug, schiefer Ebene, Wellrad, Keil und Schraube.

Standard

Hebelversuch: Miss mit einem Linealhebel verschiedene Kräfte und Abstände und prüfe das Hebelgesetz.
Flaschenzugmodell: Baue aus Rollen, Schnur und einer leichten Last ein Modell und zähle die tragenden Seilabschnitte.
Arbeitsvergleich: Miss Kraft und Weg an einer Rampe und vergleiche die zugeführte Arbeit mit der Hubarbeit.
Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video zur Goldenen Regel der Mechanik mit einem selbst gewählten Beispiel.

Schwer

Wirkungsgrad bestimmen: Ermittle experimentell den Wirkungsgrad einer Rampe oder eines Flaschenzugs und erkläre die Abweichung vom Idealwert.
Maschinenanalyse: Zerlege ein Fahrrad, einen Kran oder einen Schraubstock gedanklich in mehrere einfache Maschinen und stelle die Kraftübertragung dar.
Konstruktionsauftrag: Entwickle eine Vorrichtung, die eine Last mit begrenzter Handkraft anhebt, und begründe Deine Wahl der Bauteile.
Forschungsinterview: Befrage eine Fachkraft aus Handwerk oder Technik zur Nutzung einfacher Maschinen und werte die Antworten physikalisch aus.

Lernkontrolle

Hebeltransfer: Erkläre, warum ein langer Schraubenschlüssel das Lösen einer festsitzenden Mutter erleichtert, und stelle den Zusammenhang mit dem Drehmoment her.
Flaschenzugplanung: Eine Person kann höchstens 150 Newton Zugkraft aufbringen. Entwickle für eine Last von 600 Newton einen idealen Flaschenzug und begründe die nötige Zahl tragender Seilabschnitte.
Rampenentscheidung: Vergleiche zwei Rampen mit gleicher Höhe, aber verschiedener Länge. Beurteile Kraftbedarf, Weg, Arbeit und mögliche Reibungsverluste.
Fehleranalyse: Ein Versuch liefert bei einem Flaschenzug eine größere Zugkraft als berechnet. Nenne mögliche Ursachen und schlage Verbesserungen vor.
Maschinenkombination: Erkläre am Beispiel einer Schere, wie mehrere einfache Maschinen zusammenwirken.
Energieargument: Widerlege die Behauptung, ein Flaschenzug könne Energie erzeugen, mit der Goldenen Regel der Mechanik.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis sind diese Kompetenzen wichtig:

Du erkennst einfache Maschinen in Geräten des Alltags.
Du erklärst die Veränderung von Kraft, Richtung und Weg.
Du wendest das Hebelgesetz auf einfache Situationen an.
Du bestimmst beim Flaschenzug tragende Seilabschnitte.
Du berechnest ideale Kräfte an Hebel, Flaschenzug und schiefer Ebene.
Du nutzt die Goldene Regel der Mechanik zur Begründung.
Du unterscheidest idealisierte Modelle von realen Maschinen mit Reibung.
Du dokumentierst Experimente sicher, nachvollziehbar und mit passenden Einheiten.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Einfache Maschinen

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.