Mathe & Formeln

Kräfte an der schiefen Ebene berechnen

Geben Sie Masse, Neigung und Reibungszahl ein. Der Rechner zerlegt die Gewichtskraft und zeigt, ob der Körper rutscht und welche Kraft zum Hochziehen nötig ist.

Körper auf der Rampe
Je nach Auswahl in Grad (unter 90) oder Prozent.
0 für reibungsfrei; Holz auf Holz etwa 0,3 bis 0,5.
Ergebnis

Wie zerlegt sich die Gewichtskraft am Hang?

Auf einer geneigten Fläche zieht die Schwerkraft einen Körper weiterhin senkrecht nach unten. Für die Physik ist es aber praktischer, diese Gewichtskraft in zwei Teile zu zerlegen: die Hangabtriebskraft parallel zur Fläche, die den Körper hinunterzieht, und die Normalkraft senkrecht zur Fläche, mit der er auf die Unterlage drückt.

Je steiler die Ebene, desto größer die Hangabtriebskraft und desto kleiner die Normalkraft. Bei 0 Grad ist die Hangabtriebskraft null, bei 90 Grad wäre sie gleich der ganzen Gewichtskraft. Aus der Normalkraft und der Reibungszahl ergibt sich die Reibungskraft, die dem Rutschen entgegenwirkt.

Der Rechner nimmt die Neigung wahlweise als Winkel oder als Steigung in Prozent, wie sie auf Verkehrsschildern und Bauplänen steht. Er zeigt alle Teilkräfte, die Zugkraft zum gleichmäßigen Hochziehen, die nötige Haltekraft und, falls der Körper von selbst rutscht, seine Beschleunigung.

F_G = m · g; F_H = F_G · sin α; F_N = F_G · cos α; F_R = μ · F_N; α = arctan(Steigung ÷ 100)

Beispiel: Eine Kiste mit 50 kg liegt auf einer Rampe mit 20° Neigung, Reibungszahl 0,3. Die Gewichtskraft beträgt 490,3 N, davon wirken 167,7 N als Hangabtriebskraft und 460,8 N als Normalkraft. Die Reibung hält höchstens 138,2 N. Die Kiste rutscht deshalb von selbst mit 0,59 m/s² nach unten; zum Halten braucht es 29,5 N, zum gleichmäßigen Hochziehen 305,9 N. Bei 10 Prozent Steigung (5,71°) wären es nur 48,8 N Hangabtrieb, und die Kiste bliebe liegen.

Rampen, Straßen und schiefe Ebenen im Alltag

Die schiefe Ebene ist eine der einfachen Maschinen: Sie verringert die nötige Kraft, verlängert aber den Weg. Ohne Reibung ist die Arbeit zum Hochschieben genau so groß wie beim senkrechten Heben. Deshalb lassen sich schwere Lasten über eine Rampe in einen Transporter schieben, die man nicht anheben könnte.

Prozent und Grad werden oft verwechselt. 100 Prozent Steigung bedeuten 45 Grad, nicht 90. Eine Straße mit 10 Prozent hat einen Winkel von nur 5,7 Grad, fühlt sich aber auf dem Fahrrad schon sehr steil an. Rollstuhlrampen sollen nach den einschlägigen Baunormen deutlich flacher sein; die genauen Grenzwerte sollten Sie in der aktuellen Fassung der Norm prüfen.

Ob ein Körper rutscht, hängt nur vom Winkel und der Reibungszahl ab, nicht von der Masse. Er bleibt liegen, solange der Tangens des Neigungswinkels kleiner als die Haftreibungszahl ist. Eine schwere und eine leichte Kiste aus gleichem Material beginnen also bei derselben Neigung zu rutschen.

Der Rechner verwendet eine einzige Reibungszahl für Haften und Gleiten. In der Praxis ist die Haftreibung etwas größer; ein Körper, der gerade noch liegen bleibt, gleitet nach einem Anstoß eventuell weiter. Rollende Körper wie Räder oder Kugeln folgen eigenen Regeln mit Rollreibung und Trägheitsmoment.

Tipps und typische Fehler

Rampen planen.

  • Prozent: Nicht gleich Grad.
  • Flacher: Weniger Kraft.
  • Reibung: Mitrechnen.
  • Sichern: Gegen Abrutschen.

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Häufige Fragen

Wie berechne ich die Hangabtriebskraft?

Gewichtskraft mal Sinus des Neigungswinkels.

Wie rechne ich Steigung in Prozent in Grad um?

Winkel gleich Arkustangens von Prozent durch 100; 10 Prozent sind etwa 5,7 Grad.

Wann rutscht ein Körper die Ebene hinab?

Wenn der Tangens des Winkels größer ist als die Haftreibungszahl.

Wie viel Kraft brauche ich, um eine Last eine Rampe hochzuschieben?

Hangabtriebskraft plus Reibungskraft, also m · g · (sin α + μ · cos α).

Ab welchem Winkel rutscht ein Körper?

Wenn tan α größer als die Haftreibungszahl ist.

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