Når du prøver de forskellige aktiviteter i Cirkus Fysikus, er det fristende at tro, at de sindrige mekanismer forærer os noget kraft, vi ikke havde før. Der er måske en snært af evighedsmaskine indbygget i tandhjul og trisser?

Men sådan er det ikke.

Får vi tilført flere kræfter ved tandhjul og taljer?

Enhver motor, der roterer eller hiver fungerer ikke perfekt under alle forhold.

Vi har svært ved at rotere et håndtag i strakt arm. Vi ødelægger vores knæ, hvis vi kører på en cykel med for højt et gear. Fyren med korte arme har sværere ved at lægge arm med kammeraten med de lange arme.

Er man ligesom en motor god til at bevæge sig på en bestemt facon,  kal man bare gøre det. Løftestænger, tandhjul eller drivremme og taljer sørger snildt for, at omdrejningen ændres til det ønskede.

Lad os se på nogle eksempler:

Vægtstang med Kronprinsesse

I april 2017 fik H.K.H. Kronprinsesse Mary en enestående chance for at løfte en lille elbil med sine egne kræfter. Til lejligheden havde Experimentarium lavet en lang vægtstang, der hvilede om en akse – ligesom en vippe på legepladsen.

I den korte ende hang en bil på 500 kilo i knap en meters afstand fra aksen. I den anden ende, godt seks meter ude, gjorde Kronprinsessen sig klar.

Og faktisk kunne kronprinsessen løfte bilen uden hjælp fra andre og uden hjælp fra motorer, strøm osv., som vi ellers er så vant til at benytte.

Bilen blev løftet 10 cm og befandt sig 80 cm ude af vægtstangen. Nok til at kunne skifte hjulene, hvis det var formålet. Kronprinsessen hev det yderste af vægtstangen (6,3 meter ude) ned med cirka 70 cm. Så et godt gæt er, at Kronprinsessen vejer omkring 64 kilo, i og med, at hun kunne løfte bilen op og holde den i positionen over jorden, mens en mekaniker for eksempel kunne skifte hjulene.

Kronprinsessen lægger kræfterne i for at løfte bilen. Foto: Søren Kjeldgaard.

Tov og taljer

Skal man løfte en tung vægt, kan man også bruge taljer og tov. Jo flere taljer, jo længere stykke snor trækker du ud – og desto længere strækning virker dine muskelkræfter på.

Du skal bruge mindre kraft til at løfte vægten, mens du til gengæld tilfører kraften over en længere strækning.

Nogle typer af byggekraner bruger taljer. Når de skal løfte en særlig tung byrde, så hedder det, at de sætter flere skæringer tov ind. Så skal motoren dreje flere gange, tovet skal køre længere, og løftet tager længere tid. Men motoren får kræfter til at løfte byrden.

Lad os studere en talje nærmere:

Lad os sige, vi skal løfte byrden B 40 cm. Uden en talje vil du så kunne bruge din egen vægt som kontravægt og trække 40 cm ud i tovet til venstre.

Med taljer kan du løfte en tungere byrde, end du selv vejer. På tegningen kan du se, at byrden både hænger i enden af tovet, men også i den ene talje. Der indskydes to nye, variable tovlængder, der bliver ligeså meget kortere, når du hiver, som byrden løftes op. I stedet for at hive 40 cm ud i tovet for at løfte byrden 40 cm skal du nu hive 40 + (2 × 40) cm = 120 cm.

Kraften bliver altså forstærket 3 gange. Men det er heller ikke gratis. Den forøgede strækning betyder, at du enten griber fat meget højt oppe, før du trækker, eller får brug for at flytte hænderne undervejs. Arbejdet, du udfører, forbliver det samme.

Hvis du bruger en kraftmåler i byrden B og en kraftmåler, hvor du hiver, så burde kraften altså blive 1/3, hvor du hiver.

I vores opstilling løftes den ene sæk uden talje, nr. 2 har den mindste udveksling (½) og nr. 3 har ¼.

Det viser sig i praksis, at relationen ikke er så nøjagtig. Det skyldes, at der er en hel del modstand i tov og trisser. Tovet er stift, og du skal bruge kræfter til at få det igennem taljernes bøjninger. Store taljer med fine kuglelejer vil altid være en fordel.

Tandhjul

Vi skelner imellem forskellige typer tandhjul:

• Cylindriske tandhjul er de almindelige, der overfører træk i samme plan.
• Koniske tandhjul anvendes til at overføre træk mellem to vinkelrette plan. De behøver ikke at være vinkelrette, men kan udføres til alle vinkler. Vi har et eksempel i Cirkus Fysikus.
• Snekker og snekkehjul anvendes særligt, hvor man skal have store udvekslinger, og hvor pladsen er begrænset. Vi har eksempler på disse typer i udstillingen.

Tandhjul virker på nøjagtig samme måde, som de andre kraft-lege: Kraft × arm. At de har tænder, betyder blot at overførslen af kræfter foregår effektivt med stor gnidning, så bevægelser overføres 1:1.

Tandhjulene bevæger sig hele tiden modsat af hinanden, så det gælder om at tilrettelægge sit gear, så det ender “i den rigtige retning”.

I en af aktiviteterne i Cirkus Fysikus kan man med LEGO-tandhjul og snekkehjul opdage det forunderlige, at bevægelsen ligesom forsvinder ind igennem en lang række tandhjul og nedgearinger. Meget underligt, og det skal prøves. Hvor blev bevægelsen af?