Hefboomprincipe

Het hefboomprincipe is een relatief eenvoudig principe dat onze voorvaderen al lang geleden ontdekte. Het steunt volledig op de wetten van de fysica en wordt in het dagelijkse leven constant gebruikt, kijk bijvoorbeeld maar naar een notenkraker of tang. De bedoeling van de hefboom is om de benodigde kracht om iet te uit te voeren (heffen, breken, ...) te verminderen. Maar hoe werkt dit principe en waar moeten we rekening mee houden?

Het hefboomprincipe

Een hefboom wordt vaak gebruikt om met relatief weinig kracht zware gewichten op te heffen. Een lange as wordt dan onder het gewicht geplaatst en het steunpunt wordt zo dicht mogelijk bij het gewicht onder de as geplaatst. Een hefboom wordt echter niet alleen voor deze toepassing gebruikt. In feite bestaan er drie soorten hefbomen met verschillende rangschikkingen van last, krachtinspanning en steunpunt. Sommige hefbomen vergroten kracht, andere vergroten afstand. Als een hefboom kracht moet vergroten, moet de krachtinspanning op grotere afstand van het steunpunt aangrijpen dan de last.

De eerste soort hefbomen heeft het steunpunt tussen macht en last, waarbij de macht de langste arm krijgt. Bij de tweede soort zit de last tussen steunpunt en macht, bij de derde soort zit de macht tussen steunpunt en last.

• Een tang is een hefboom van de eerste soort - een krachtvergroter.
• Een notenkraker is een hefboom van de tweede soort - een krachtvergroter.
• Een suikertang is een hefboom van de derde soort - een afstandsvergroter.

Aan een hefboom zijn er altijd drie belangrijke zaken te onderscheiden:

• het steunpunt: sommige hefbomen draaien ook om een spil of een schroef die dan steunas genoemd wordt.
• de aangrijpingsplaats van de macht, d.i. de plaats of het punt waarop de mens de macht uitoefent.
• de aangrijpingsplaats van de last, d.i. de plaats of het punt waarop een voorwerp zijn weerstand, de last uitoefent.

Krachten op een hefboom

Als de mens een hefboom gebruikt , oefent hij een spierkracht uit: hij duwt op de hefboom of trekt eraan. Hij moet zijn spierkracht gebruiken om de kracht (weerstand) die het voorwerp levert tegen te gaan. Die weerstand is de kracht die overwonnen moet worden en die men de last noemt.

• De kracht die op een hefboom uitgeoefend wordt, noemt men de macht.
• De weerstand die een voorwerp biedt, is ook een kracht die men de last noemt.
• De last is een kracht die overwonnen moet worden door een andere kracht, de spierkracht.

De fysica achter het hefboomprincipe

Om een gewicht op te heffen, moeten we de zwaartekracht overwinnen die aan dat gewicht trekt. Er moet dan arbeid geleverd worden. Volgens de wetten van de fysica is de geleverde arbeid gelijk aan de kracht vermenigvuldigd met de verplaatsing.

W = F * X

W= arbeid
F= kracht
x= afstand

Het doel van een hefboom is het minimaliseren van de te leveren arbeid, in dit geval spierkracht. Dit gebeurt door de afstand tussen steunpunt en kracht groter te maken dan de afstand tussen steunpunt en last.

Stel de lengte van de as vanaf het steunpunt is langs de ene kant L1 (korte afstand) en langs de andere kant L2 (lange afstand). Als we nu het voorwerp over een afstand S1 willen opheffen, moeten we een arbeid W1=F1*X1 leveren. De uitwijking die we tegelijkertijd aan de andere kant van de hefboom moeten geven is veel groter, X2>X1. De arbeid die met deze grotere uitwijking geleverd wordt is W2=F2*X2. De geleverde arbeid voor beide verplaatsingen is dezelfde (W1=W2). Bijgevolg moet F2<F1 ; we moeten dus minder kracht gebruiken.

Hoeveel kleiner die kracht is, hangt af van de verhouding L2/L1. Als L2 twee keer zo lang is als L1, dan is de uitwijking X2 twee keer zo groot als X1 en dan is de kracht die we nodig hebben om het gewicht op te heffen 2 keer kleiner:
F1/F2 = X2/X1 = L2/L1.