Bau eines Flaschenzugs (Block und Tackle) — Archimedes' Kraftverstärker

Berechnen Sie vor dem Zuschneiden des Holzes den benötigten mechanischen Vorteil und wie viele Seilrollen dafür erforderlich sind. Der mechanische Vorteil (MA) entspricht der Anzahl der Seilabschnitte, die den beweglichen (unteren) Block tragen – nicht der Gesamtzahl der Rollen. Ein System mit zwei Rollen und einer einzigen beweglichen Rolle ergibt MA = 2. Ein System mit zwei Rollen in jedem Block (insgesamt vier Rollen) mit vier Seilabschnitten, die den unteren Block tragen, ergibt MA = 4. Die Lastkraft am Ankerpunkt, an dem der obere Block hängt, entspricht dem Lastgewicht multipliziert mit (MA + 1) / MA – ein 4:1-System, das an einem Deckenbalken verankert ist, muss also 125 % des Lastgewichts am Anker tragen. Dimensionieren Sie den Anker entsprechend.

Für diese Bauanleitung bauen wir ein 4:1-System: zwei Seilrollen im oberen (feststehenden) Block, zwei Seilrollen im unteren (beweglichen) Block. Dieses System kann 200 kg mit 50 kg Handkraft heben und ist damit für zwei Personen, die gemeinsam auf der Baustelle arbeiten, praktikabel.

Jede Seilrolle (Rolle mit Rille) muss aus dichtem, feinfaserigem Hartholz gefertigt sein, das unter wiederholter Seilbelastung nicht splittert. Esche, Ulme und Guajakholz (sofern verfügbar) sind ideal. Vermeiden Sie geradfaserige Weichhölzer – Kiefer und Tanne spalten entlang der Faser, wenn sie durch ein Seil, das sich in die Rillen der Rolle drückt, belastet werden. Für ein 4:1-System, das 200 kg heben kann, fertigen Sie vier Seilrollen mit jeweils etwa 15–20 cm Durchmesser und 4 cm Dicke. Schneiden Sie die Radrohlinge aus einer 5 cm dicken Hartholzplanke aus und zeichnen Sie Kreise mit einem Zirkel vor.

Wenn das Holz frisch geschlagen ist, lassen Sie es vor dem Formen mindestens vier Wochen an der Luft trocknen – grünes Holz schrumpft und reißt beim Trocknen, und eine gerissene Seilrolle unter Last ist gefährlich. Bohren Sie das Achsloch genau in der Mitte jedes Rohlings, bevor Sie den Felgenrand formen – ein außermittiges Bohren erzeugt ein exzentrisches Rad, das dazu führt, dass das Seil aus der Rille springt.

Nachdem das Achsloch mittig gebohrt wurde, die Außenkante jedes Rades mit einem Schabhobel oder einer Raspel zu einem glatten Kreis formen und mit einem Zirkel überprüfen, dass der Radius rundum gleichmäßig ist. Anschließend die Seilrille um den Umfang schneiden: eine V-förmige Rille, 1 cm tief und breit genug, um den Seildurchmesser mit 2–3 mm Spiel aufzunehmen. Für Hanfseil mit 12 mm Durchmesser eine Rille von 14–15 mm Breite am Radrand schneiden, die sich zu einem abgerundeten Grund von 5 mm verjüngt. Die Rille muss das Seil mittig auf dem Rad halten: Ist die Rille zu schmal, staut sich das Seil und klemmt; ist sie zu breit, wandert es außermittig und springt unter Last von der Seilscheibe.

Die Rille mit Sandstein oder feinem Schleifmittel glätten, um Splitter zu entfernen, die das Seil aufscheuern würden. Zuletzt das zentrale Achsloch auf einen Durchmesser bohren, der 1 mm größer ist als der eiserne Achszapfen, damit sich das Rad frei mit minimalem Taumeln dreht.

Das Blockgehäuse ist die hölzerne Hülle, die zwei Seilrollen nebeneinander hält, sie ausgerichtet hält und den Ankerhaken sowie die Seilbefestigungspunkte bereitstellt. Schneide zwei seitliche Wangen aus 3 cm starkem Hartholzbrett, etwa 25 cm hoch und 12 cm breit. Schneide dazwischen eine mittlere Versteifung (den 'Schalen'-Block), die die Wangen um die kombinierte Breite zweier Seilrollen plus 3 mm Laufspiel auf jeder Seite auseinanderhält. Die Seilrollen müssen sich im Block frei drehen, ohne an den Wangen zu reiben.

Spanne die Konstruktion ein und verstifte sie mit eisernen Treibnägeln oder hölzernen Holznägeln (Dübeln). Bohre oben im oberen Block ein 12 mm Loch durch beide Wangen und die Versteifung, um den Hakenbolzen aufzunehmen – eine Gewindestange aus Eisen mit einem an einem Ende geschmiedeten oder gebogenen Haken und einer Mutter am anderen Ende. An diesem Haken hängt der gesamte obere Block am Hebebalken oder Kran.

Der untere Block ist identisch mit dem oberen Block aufgebaut – gleiche Wangenabmessungen, gleicher Abstand – besitzt jedoch unten einen Haken statt oben, und oben, wo das stehende Seilende befestigt wird, eine Seilöse (ein Auge oder eine Schlaufe aus Seil). Diese Seilöse ist der Punkt, zu dem das laufende Seil zurückkehrt, wenn ein 4:1-System eingeschert wird: Das stehende Ende (das 'tote' Ende) wird am unteren Block festgemacht, und das laufende Ende verläuft durch den oberen Block und führt nach unten zur Hand des Ziehenden.

Statten Sie den unteren Block mit einem großen Lasthaken aus – einem Eisenhaken mit einem Schaft von 10 mm Durchmesser, der die volle Nennlast von 200 kg tragen kann. Das Auge des Hakens wird durch die Unterseite des unteren Blockgehäuses geführt und mit einer Mutter oder einem Splint gesichert. Glätten Sie alle Außenflächen und runden Sie alle Ecken ab – ein Flaschenzug schwingt unter Last und stößt gegen Bauteile; scharfe Kanten schneiden in Seile und verletzen Hände.

Jedes Paar Seilrollen (oberer Flaschenzugblock und unterer Flaschenzugblock) teilt sich einen einzigen eisernen Achsbolzen, der durch beide Wangen und durch die zentralen Bohrungen der beiden Rollen führt. Der Bolzendurchmesser sollte für ein System mit 200 kg 8–10 mm betragen — verwenden Sie die Formel: Für einen Bolzen unter einfacher Scherbeanspruchung gilt die zulässige Last in kg ≈ (Bolzendurchmesser in mm)² × 5. Ein 10 mm dicker Eisenbolzen kann etwa 500 kg Scherlast aufnehmen, was einen Sicherheitsfaktor von 2,5 gegenüber der Auslegungslast ergibt.

Vor dem Einsetzen des Bolzens die Achsbohrungen der Rollen und die Bolzenoberfläche mit Talg oder Bienenwachs bestreichen. Dies wirkt als Gleitlager-Schmiermittel und verringert Reibung und Wärmeentwicklung im Dauerbetrieb. Die Bolzenenden mit Kupfer- oder Eisensplinten durch gebohrte Löcher sichern — niemals allein auf eine Presspassung vertrauen. Unter wiederholter Belastung und Vibration wandert ein nur durch Reibung gehaltener Bolzen heraus.

Antike Flaschenzug-Systeme verwendeten Seile aus Hanf, Manilafaser oder Papyrusfaser – alles natürliche Pflanzenfasern mit hervorragender Zugfestigkeit im Verhältnis zu ihrem Gewicht. Für ein 4:1-System, das 200 kg hebt, muss das Seil für mindestens 200 kg Zugbelastung ausgelegt sein (das laufende Ende steht unter der vollen Last von 200 kg geteilt durch MA = 4, das Seil selbst trägt diese jedoch über seine gesamte Länge). Verwenden Sie ein dreisträngig geschlagenes Hanfseil mit einem Durchmesser von mindestens 12 mm, das eine sichere Arbeitslast von etwa 200–250 kg und eine Bruchfestigkeit von ungefähr 1.000–1.200 kg aufweist.

Prüfen Sie das Seil auf Anzeichen von Kernfäule (ein muffiger Geruch und leichte Kompressibilität) und Oberflächenabrieb. Schneiden Sie das Seil auf die passende Länge zu: Sie benötigen den Abstand zwischen oberem und unterem Block (die Arbeitshöhe), multipliziert mit der Anzahl der Seilstränge (4), zuzüglich zusätzlicher Länge für das Einscheren um die Rollen, den Becket-Anschluss und das Ende zum Ziehen. Umwickeln Sie die geschnittenen Enden mit Takelgarn, um ein Auffasern zu verhindern.

Das Einscheren ist der Vorgang, bei dem das Seil in der richtigen Reihenfolge durch die Rollen geführt wird. Bei einem 4:1-Flaschenzug mit zwei Rollen in jedem Block: Beginnen Sie, das stehende (tote) Ende mit einem Palstek am Hals am oberen Ende des unteren Blocks zu befestigen. Führen Sie das Seil hoch und über die erste Rolle des oberen Blocks (linke Seite), dann herunter und unter der ersten Rolle des unteren Blocks (linke Seite) hindurch, hoch und über die zweite Rolle des oberen Blocks (rechte Seite), herunter und unter der zweiten Rolle des unteren Blocks (rechte Seite) hindurch. Das laufende Ende verlässt den unteren Block nach unten in Richtung Winde.

Die korrekte Einschernfolge stellt sicher, dass sich das Seil innerhalb der Blöcke nicht kreuzt (was zu Reibung und Verklemmen führen würde) und dass die Last gleichmäßig auf alle vier Seilstränge verteilt wird. Bei korrektem Einscheren hebt das Ziehen des laufenden Endes mit 50 kg Kraft 200 kg am Haken des unteren Blocks.

Der Haken des oberen Blocks muss an einer Konstruktion verankert werden, die für die volle Last ausgelegt ist. Bei einer Arbeitslast von 200 kg an einem 4:1-System muss der Ankerpunkt 200 kg (Last) + das Eigengewicht der Blöcke und des Seils tragen – also insgesamt 220 kg. Für eine Verankerung an einem Holzbalken verwenden Sie einen waagerechten Eichenbalken mit mindestens 20 cm × 20 cm Querschnitt, wobei der Haken um den Balken gelegt wird, statt über einen einzelnen Punkt gehängt zu werden, damit sich die Last entlang der Faser verteilt.

Verankern Sie niemals an Mauerfugen, verrosteten Eisenhaken oder Holz mit sichtbaren Rissen oder Fäulnis. Bei Arbeiten in der Höhe (Heben von Steinblöcken oder Lasten) muss neben dem Arbeitsanker ein zweiter Sicherungsanker gleicher Tragfähigkeit angebracht werden. Prüfen Sie den Ankerpunkt vor jedem Hub – wechselnde Belastung ermüdet Werkstoffe, die bei reiner Sichtprüfung intakt erscheinen.

Die Schmierung der Schnittstelle zwischen Rolle und Achse ist unerlässlich. Ohne Schmierung erzeugt eine Last von 200 kg bei einem 4:1-System eine seitliche Belastung von etwa 100 kg auf jeden Achsstift. Die dabei entstehende Reibungswärme kann das Holzgehäuse der Rolle innerhalb weniger Minuten bei Dauerbetrieb verkohlen. Vor der Montage gerendertes tierisches Talg oder Bienenwachs in die Achsstiftlöcher füllen und nach dem Zusammenbau der Blöcke über kleine Schmierlöcher, die an der Achsstiftposition durch die Blockwangen gebohrt werden, erneut auftragen.

Schmieren Sie auch die Schnittstelle zwischen Seil und Rolle: Führen Sie die eingescherten Seilabschnitte durch eine Handvoll Talg (nicht Teer oder Fett – diese versteifen die Seilfasern und verursachen inneren Verschleiß). Ein gut geschmierter Flaschenzug läuft spürbar leichter – der Unterschied zwischen einem mechanischen Vorteil (MA) von 4:1 und einem effektiven MA näher bei 3:1 aufgrund von Reibungsverlusten in einem trockenen System.

Bevor eine volle Arbeitslast angehängt wird, den Block und Flaschenzug mit 110 % der Nennlast probebelasten. Ein bekanntes Gewicht am unteren Blockhaken anhängen (wassergefüllte Behälter sind praktisch – 1 Liter Wasser = 1 kg). Die Prüflast 10 cm vom Boden anheben und fünf Minuten halten. Auf Knarren achten, das mit der Zeit zunimmt (deutet auf Verformung des Holzes hin), Seilstränge auf knackende Spannungsgeräusche prüfen (brechende Fasern) und die Temperatur der Achsbolzen durch die Blockwangen fühlen (Wärme ist akzeptabel; heiß bedeutet übermäßigen Reibungsverlust und versagende Schmierung).

Nach bestandener Probebelastung mit 110 % das System durch mehrere vollständige Hebe- und Senkzyklen betreiben, damit sich das Seil setzen kann (die Litzen verdichten sich und der Schlag zieht sich unter der anfänglichen Last zusammen). Der mechanische Vorteil lässt sich am besten direkt messen: Eine kalibrierte Last von 100 kg anhängen und die am freien Seilende benötigte Handkraft mit einer Federwaage messen. Ein gut gebautes 4:1-System benötigt 25–28 kg Zugkraft – der Überschuss von 3 kg über den theoretischen 25 kg entspricht den Reibungsverlusten in den Seilrollen und im Seil.

Nachdem das System aufgebaut und probebelastet wurde, demonstrieren Sie den mechanischen Vorteil jedem, der an der Mathematik zweifelt. Legen Sie einen 100 kg schweren Steinblock auf den Boden unter den unteren Block. Lassen Sie eine Person eine kalibrierte Federwaage am laufenden Seilende halten. Eine zweite Person notiert den Anzeigewert der Waage, während die erste langsam zieht. Die Waage sollte 25–28 kg anzeigen, obwohl 100 kg gehoben werden – der Flaschenzug hat die erforderliche Kraft auf ein Viertel reduziert. So demonstrierte Archimedes es König Hieron: nicht Magie, sondern Geometrie, verwirklicht in Holz, Seil und Bronze.

Archimedes' Flaschenzug verkörpert eine tiefgreifende Erkenntnis: Das Verhältnis der Kräfte entspricht dem umgekehrten Verhältnis der zurückgelegten Wege. Eine mechanische Übersetzung von 4:1 bedeutet, dass die Hand des Ziehenden viermal so weit wandert, wie sich die Last hebt. Energie bleibt erhalten – Kraft mal Weg ist konstant –, doch wird Kraft gegen Weg getauscht, in welchem Verhältnis auch immer der Konstrukteur es wählt. Dieses Prinzip, erstmals präzise von Archimedes in „Über das Gleichgewicht ebener Flächen“ formuliert, liegt aller klassischen Mechanik zugrunde und blieb bis zur industriellen Revolution die theoretische Grundlage des Maschinenbaus.

Nach jedem Gebrauch die gesamte Last vom Seil nehmen und die gesamte Seillänge auf Schnitte, Abrieb und Knicke prüfen. Ein geknicktes Seil weist an der Knickstelle eine dauerhafte Verringerung der Bruchfestigkeit auf – schneiden Sie den geknickten Abschnitt heraus und spleißen Sie das Seil neu, wenn sich der Knick nicht glätten lässt. Rollen Sie das Seil in abwechselnden Halbwindungen im und gegen den Uhrzeigersinn auf (eine 'Achterspule'), um zu verhindern, dass sich Drall aufbaut, der beim Ausbringen zu Verhedderungen führt.

Lagern Sie Blöcke an einem trockenen Ort, fern von direktem Sonnenlicht – UV-Strahlung zersetzt die Seilfasern und trocknet Holzblöcke aus, was zu Rissbildung (Oberflächenrissen) führt. Schmieren Sie die Achsbolzen alle 20 Betriebsstunden nach. Prüfen Sie die Blockwangen jährlich auf Delamination oder Rissausbreitung von den Achsbolzenlöchern aus; ersetzen Sie die Wangen, wenn sich Risse über mehr als ein Drittel der Wangenbreite erstrecken. Ein gut gewarteter Flaschenzug mit Talje hält ohne größere Reparatur eine Generation lang.