Ein Hebel ist ein fester Stab oder ein Brett, das sich um einen Punkt drehen kann, den Drehpunkt. Am Hebel greifen zwei Kräfte an, zum Beispiel die Gewichtskräfte zweier Kinder auf einer Wippe. Wir nennen sie $F_1$ und $F_2$ und betrachten nur Kräfte, die senkrecht auf dem Hebel stehen.

Der Hebelarm einer Kraft ist der Abstand zwischen dem Drehpunkt und der Stelle, an der die Kraft angreift. Wir schreiben $l_1$ und $l_2$ (l wie Länge). Der Hebelarm ist nicht der ganze Stab, sondern nur das Stück vom Drehpunkt bis zur Kraft.

Es gibt zwei Arten von Hebeln:

• Beim zweiseitigen Hebel liegt der Drehpunkt zwischen den beiden Kräften. Beispiele: Wippe, Balkenwaage, Schere.
• Beim einseitigen Hebel liegen beide Kräfte auf derselben Seite des Drehpunkts. Beispiele: Schubkarre (der Drehpunkt ist die Radachse) und Nussknacker.

Versuch. Aufbau: Ein langer Stab mit gleich weit entfernten Löchern ist in der Mitte drehbar gelagert, sein eigenes Gewicht spielt dann keine Rolle. Durchführung: Du hängst links und rechts verschieden schwere Wägestücke an verschiedene Löcher, bis der Stab waagerecht im Gleichgewicht bleibt. Du liest Kräfte und Hebelarme ab. Beobachtung (gerundete Werte):

Auswertung: Rechne in jeder Zeile Kraft mal Hebelarm. Versuch 1: links 2 N · 15 cm = 30 N·cm, rechts 3 N · 10 cm = 30 N·cm. In Versuch 2 sind es links und rechts 30 N·cm, in Versuch 3 jeweils 20 N·cm. Links und rechts kommt jedes Mal dasselbe heraus.

Das ist das Hebelgesetz: Ein Hebel ist im Gleichgewicht, wenn Kraft mal Hebelarm auf beiden Seiten gleich groß ist. Kennst du drei der vier Größen, rechnest du die vierte aus. Beide Hebelarme müssen in derselben Einheit stehen.

Im Beispiel mit der Stange hast du Kraft gespart und Weg zugegeben: 100 N statt 300 N, dafür 30 cm statt 10 cm. Das ist kein Zufall. Ein Punkt, der dreimal so weit vom Drehpunkt entfernt ist, läuft beim Drehen auf einem dreimal so langen Bogen.

Rechne Kraft mal Weg. Hand: 100 N · 30 cm = 3000 N·cm. Brocken: 300 N · 10 cm = 3000 N·cm. Beides ist gleich. Das gilt für alle Hilfsmittel dieser Lektion, wenn man Reibung und das Gewicht des Hilfsmittels weglässt. Es ist die Goldene Regel der Mechanik: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zugeben. Das Produkt aus Kraft und Weg bekommt in einer späteren Lektion einen eigenen Namen. Mit den Wegen $s_1$ und $s_2$ lautet die Regel:

Eine Rolle ist ein Rad mit einer Rille, in der ein Seil läuft.

• Bei der festen Rolle hängt die Achse an der Decke. Du ziehst nach unten, die Last geht nach oben. Die Kraft ist so groß wie die Gewichtskraft der Last, nur die Richtung ändert sich. Die feste Rolle wirkt wie ein Hebel mit zwei gleich langen Hebelarmen.
• Bei der losen Rolle hängt die Last an der Rolle. Ein Seilende ist oben befestigt, am anderen ziehst du. Zwei Seilstücke tragen die Last, du brauchst die halbe Kraft. Dafür ziehst du doppelt so viel Seil: 2 m für 1 m Hub.
• Ein Flaschenzug verbindet feste und lose Rollen. Tragen $n$ Seilstücke die Last, brauchst du den $n$-ten Teil der Kraft und ziehst das $n$-fache an Seil.

Dabei ist $F_G$ die Gewichtskraft der Last, $h$ die Höhe, um die sie steigt, und $s$ die Länge des gezogenen Seils. Gezählt werden die Seilstücke, die an der beweglichen Rolle mit der Last hängen. Die Formeln gelten ohne Reibung und ohne das Gewicht der Rollen. In Wirklichkeit brauchst du etwas mehr Kraft.

Eine geneigte Ebene (auch schiefe Ebene) ist eine schräge Fläche, zum Beispiel eine Rampe. Statt eine Last senkrecht um die Höhe $h$ zu heben, schiebst du sie die Rampe der Länge $s$ hinauf. Der Weg ist länger, also darf die Kraft kleiner sein. Aus der Goldenen Regel $F \cdot s = F_G \cdot h$ folgt für eine Kraft parallel zur Rampe, ohne Reibung:

Hebel, Rollen, Flaschenzüge und geneigte Ebenen heißen kraftumformende Einrichtungen oder einfache Maschinen. Sie ändern Größe oder Richtung einer Kraft.