Flaschenzug Ein ist eine Maschine die den Betrag der aufzubringenden Kraft z B zum Bewegen von Lasten verringert Der bes
Flaschenzug
Ein Flaschenzug ist eine Maschine, die den Betrag der aufzubringenden Kraft z. B. zum Bewegen von Lasten verringert. Der Flaschenzug besteht aus festen und losen Rollen und einem Seil. Bei komplizierten Flaschenzügen sind die Rollen mittels „Scheren“ zum Block zusammengefasst. Flaschenzüge werden dabei oft als Teil eines größeren Mechanismus eingesetzt, beispielsweise bei einem Kran, wie etwa einem Fahrzeugkran oder einem Turmkran oder in einem Elektroseilzug.
Flaschenzug
Geschichte
Bereits in der Antike war die Kraftminderung durch Anwendung der Hebelgesetze bekannt. Der Erfinder des Flaschenzugs ist nicht bekannt (evtl. Archytas), aber die Erfindung des zusammengesetzten Flaschenzuges wird Archimedes zugeschrieben. Eine erste bildliche Darstellung der Kombination von Seil und einfacher Rolle befindet sich jedoch schon auf einem assyrischen Relief um 970 v. Chr.
Flaschenzug an einem Baukran
Mit Seilen verspannte Einbaumkräne, die über drei („Trispastos“) oder fünf Rollen („Pentaspastos“) liefen, sind seit 750 v. Chr. bekannt.
Aufrichtung des Obelisken auf dem Petersplatz mit Hilfe von 50 Flaschenzügen
Vitruv, ein römischer Architekt, Ingenieur und Architekturtheoretiker des 1. Jahrhunderts v. Chr., beschrieb in seinem 10. Buch über den Maschinenbau ausführlich den Trispastos, Pentaspastos und Polyspastos. Zu jener Zeit war es aber kaum möglich, Seile für Flaschenzüge mit sehr vielen Rollen in der erforderlichen Länge und Tragfähigkeit herzustellen, oder sie waren in der benötigten Anzahl fast unbezahlbar.
Der griechische Mathematiker und Ingenieur Heron von Alexandria lebte vermutlich im 1. Jahrhundert und befasste sich ebenfalls mit dem Flaschenzug. Unter der regen Bautätigkeit der römischen Kaiser war der Baukran unentbehrlich zur Errichtung der Arenen. Dank verschiedener Umlenkrollen konnten die Bedienungsmannschaften bis zu sieben Tonnen schwere Steinblöcke heben. Im 6. Jahrhundert, um das Jahr 530, wurde ein Kalksandsteinmonolith mit einem Gewicht von 230 Tonnen als Schlussstein des Kuppeldaches für das Mausoleum des Theoderich bei Ravenna mittels komplizierten Flaschenzügen von 700 Arbeitern auf 16 Meter Höhe gebracht. Auch Leonardo da Vinci machte sich in seinen Erfindungen (bspw. im Codex Atlanticus, Codex Forster II & III) den Flaschenzug zunutze.
In der Renaissance fand der Flaschenzug seine spektakulärste Anwendung beim Transport und der Aufrichtung des Obelisken auf dem Petersplatz in Rom vom 30. April bis 16. September 1586 durch den Ingenieur Domenico Fontana. 907 Arbeiter und 75 Pferde drehten an den 40 Spillen und zogen damit über Umlenkrollen an bis zu 220 Meter langen Seilen die an einem gigantischen Holzgerüst hängenden 40 Flaschenzüge, um den 330 Tonnen schweren und 25,31 Meter langen Obelisken in die Senkrechte zu bringen.
Bis 1861 blieb der Flaschenzug und seine Anwendung weitgehend unverändert. Erst mit dem Differenzialflaschenzug, zum ersten Mal in London eingesetzt, konnte eine Effizienzsteigerung erreicht werden. Heute werden Flaschenzüge vor allem bei Kränen oder Spannvorrichtungen (Radspannwerke) für Fahrdrähte eingesetzt.
Funktionsprinzip und Teile des Flaschenzuges
Der „Block“ (Flasche) eines Flaschenzuges in Metallausführung und Stahlseil (rechts im Bild)
Ein Flaschenzug besteht aus mindestens einer losen Rolle (Scheibe) sowie einem Seil. Das Funktionsprinzip ist in dem Bild links (Erklärung des Flaschenzugs) dargestellt. In A wird ein Gewicht mit der Masse m hochgezogen, wobei die obere Rolle nur die Kraft umlenkt und somit das Gewicht um genau die Strecke angehoben wird, die das Seil gezogen wird (blaue Markierung und blauer Pfeil). In B ist ein einfacher Flaschenzug dargestellt, bei dem das Seil am oberen Balken befestigt ist und das Gewicht an einer Rolle in der Seilschlaufe hängt. Wird hier das Seil um die gleiche Länge wie in A gezogen, so hebt sich das Gewicht nur um die Hälfte an. Die Seilteile links vom Seilabschnitt, an dem gezogen wird, müssen nämlich insgesamt um die Zugstrecke kürzer werden, die sich jedoch auf zwei Seilabschnitte verteilt. Die benötigte Kraft wird folglich halbiert, während das Seil doppelt so lange wie in A gezogen werden muss, um das Gewicht auf eine bestimmte Höhe anzuheben. In C ist ein Aufbau gezeigt, bei dem das Gewicht auf vier Seilabschnitte verteilt wird und folglich nur ein Viertel der Kraft benötigt wird. Die dargestellte Bauweise ist nicht platzsparend und die Rollen könnten zusammengeschoben werden (D). Eine sehr kompakte Bauweise (E) ergibt sich, wenn man die Rollen noch weiter zusammenschiebt und somit die oberen und unteren Rollen jeweils auf einer Achse liegen. Verdreht man die oberen Rollen, so ergibt sich dann die übliche Bauform (F).
Erklärung des Flaschenzugs
Flaschen
Flaschen wurden die Halterungen der Rollen genannt und waren meist als Block (mhd. plock, ploch „großes“ oder „zusammenhängendes Stück“) aus einem Stück Hartholz (Esche, Rüster) gearbeitet. Heute nennt man die flachen Teile beiderseitig am Rand (Backe, Wange) und zwischen den Rollen (Damm) insgesamt Scheren. In der Seemannssprache wird der Flaschenzug als Talje bezeichnet.
Als Jungfer werden meist runde oder halbrunde stabile Holzscheiben mit mehreren Löchern genannt, die keinerlei Rollen beinhalten und beispielsweise zum Spannen der Wanten dienten.
Rollen
Die Rollen eines Flaschenzuges wurden früher ebenfalls Flaschen oder auch „Scheiben“ genannt. Der Begriff entstand etwa im 18. Jahrhundert: Bei Webmaschinen, speziell bei Bandwebmaschinen, werden die Spannrollen, welche die Kettfäden immer gespannt halten, als Flaschen bezeichnet. Bevorzugt sind kugelgelagerte Rollen zu verwenden, um mit wenig Muskelkraft ein günstigeres Übersetzungsverhältnis zu erreichen. Bergsteiger benutzen bei Notlösungen (Spaltenbergung) auch einfache Karabiner, die jedoch durch die Gleitreibung die Zugarbeit erschweren.
Seil
Das Seil sollte ein Statikseil sein, um keine unnötigen Dehnungen bzw. Streckung zu erhalten, die den Hub verlängern würden. Für extreme Belastungen werden Stahlseile verwendet. Slacklines, welche über den Ellington-Flaschenzug gespannt werden, haben bevorzugt anstelle des Seils ein Flach- oder Schlauchband. Dieser, nach seinem Erfinder benannte Ellington-Flaschenzug, ist außergewöhnlich und besticht durch seine Einfachheit. Die Art und Weise, wie das Seil über die Rollen geführt und einfädelt wird, bezeichnet man als Einscherung.
Bauformen
Faktorenflaschenzug
Verschiedene Faktorenflaschenzüge (n = 1, 2, 3 bzw. 4)
Die Rollen bei einem Flaschenzug können sehr unterschiedlich angeordnet sein. Für die Zugkraft entscheidend ist aber immer die Anzahl der tragenden Seile , auf die sich die Last verteilt. In der rechts abgebildeten Grundform des Flaschenzugs ist die Kraft an jeder Stelle des Seils gleich. Die Gewichtskraft der Masse wird daher gleichmäßig auf die tragenden Seile zwischen den unteren und den oberen Rollen verteilt. Die Zugkraft berechnet sich mit der Schwerebeschleunigung zu:
Nach der Goldenen Regel der Mechanik muss der Haken bei zunehmender Zahl der tragenden Seile eine immer längere Strecke bewegt werden, um die gleiche Höhenänderung zu erreichen:
Es lässt sich leicht zeigen, dass die dazu benötigte Energie von unabhängig ist:
Die Belastung des Deckenhakens () ergibt sich aus der Summe von Zugkraft und Gewichtskraft .
Die Belastung des Deckenhakens nimmt mit jeder weiteren Rolle ab.
Änderung von Zugrichtung und Angriffspunkt
Die gleichen Faktorenflaschenzüge (gespiegelt vom oberen Bild) mit geänderter Zugrichtung und dadurch geändertem Verhältnis bei gleicher Gewichtskraft und gleicher Zugstrecke
Wie wichtig auch die Anordnung der Angriffspunkte (Fixpunkt, Zugpunkt und Zugrichtung) ist, zeigt das nebenstehende Bild.
Zugrichtungsänderung
Angriffspunktänderung
Potenzflaschenzug
Beim Potenzflaschenzug wird die Krafteinsparung ausschließlich mittels loser Rollen erzielt: Das Seil jeder Rolle ist an der Stütze und der nächsten Rolle befestigt. Während auf die untere lose Rolle noch die volle Gewichtskraft wirkt, wird diese beim unteren Seil schon halbiert, sodass an der oberen losen Rolle nur noch die halbe Kraft angreift. An dieser Rolle wird die Kraft nochmals halbiert. Am Seil der letzten Rolle wirkt schließlich die Zugkraft, die durch eine feste Rolle nach unten umgelenkt wird. Dadurch potenziert sich die Wirkung mit der Anzahl der losen Rollen:
Differenzialflaschenzug
Differenzialflaschenzug
Differenzialwinde nach dem gleichen Prinzip
Der Differenzialflaschenzug besteht aus zwei festen Rollen, die fest miteinander verbunden sind und unterschiedliche Durchmesser haben. Die Last hängt an einer losen Rolle. Bei diesem Flaschenzugtyp wird ein durchgehendes (d. h. an den Enden verbundenes) Seil verwendet, in dem die Spannung nicht überall gleich ist. Das Seil wird von der größeren Rolle zur Last und auf der anderen Seite über die kleinere Rolle zurückgeführt. Beim Hochziehen wickelt sich so das Seil auf die größere Rolle auf und von der kleineren Rolle ab. Bei einer Umdrehung wird also die Länge der Seilschlaufe, an der das Gewicht hängt, um die Differenz der beiden Rollenumfänge kürzer. Wegen der Schlaufe wird das Gewicht nach dem Prinzip des Flaschenzugs aber nur um die Hälfte dieser Strecke angehoben. Zusätzlich wird die Kraft, die für eine Umdrehung der Rollen benötigt wird, durch den Umfang der größeren Rolle bestimmt. Dieser Umfang entspricht nämlich gerade der Zugstrecke des Seils für eine Umdrehung, auf die die Arbeit dann verteilt wird. Somit ergibt sich für die Kraft:
Ein wichtiger Vorteil dieses Flaschenzugtyps ist die Material- und Gewichtsersparnis. Durch das umlaufende Seil ist dessen Länge vom Übersetzungsverhältnis des Flaschenzugs fast unabhängig. Weiterhin sind immer nur drei Rollen erforderlich. Da für die Funktion ein (rutsch-)fester Kontakt zwischen Seil und Rollen erforderlich ist, wird bei einem Differenzialflaschenzug statt des Seils auch oft eine Kette und statt der Rolle ein Kettenrad verwendet.
Wird stattdessen eine Differenzialwinde mit der Kurbellänge K verwendet (siehe Abbildung, R und r sind weiterhin die Radien der Rollen), so lautet die Formel:
Die Münchhausentechnik ist zur Selbstrettung geeignet, wenn beispielsweise der vorausgehende Bergführer in eine Spalte stürzt und der Partner keine Rettungstechniken beherrscht. Eine Variante der Münchhausentechnik besteht in der Verwendung eines Flaschenzugs als Selbstaufzug. Die Kräfteverteilung ist hierbei anders als beim gewöhnlichen Flaschenzug zu berechnen. Der gestürzte und am Seil hängende Kletterer (FL = Last) zieht sich über zwei Rollen (alternativ mit zwei Umlenkkarabinern) am Zugseil selbst in die Höhe. Der einfache Flaschenzug trägt nun den Kletterer mit drei Seilsträngen, wobei sich das Zuggewicht (FZ) am Zugseil auf 1/3 der Gewichtskraft reduziert. Somit beträgt unter Vernachlässigung von Reibung das Übersetzungsverhältnis 1:3.
Flaschenzug ohne Flaschen oder Rollen
Schweizer Flaschenzug
Ein Schweizer Flaschenzug ist ein Verfahren der Spaltenbergung bei Unfällen am Gletscher mit Hilfe eines kombinierten Potenz- und Faktorenflaschenzugs. Dabei wird das Seil direkt über die Karabiner umgelenkt, da bei einer solchen Hilfsmaßnahme meistens keine Rollen zur Verfügung stehen.
Ellington-Flaschenzug
Ellington-Flaschenzug im Detail. Links oben das Kettenglied mit dem eingeschlauften Band, welches das Auge für den Karabiner bildet. Das Band zwischen den Karabinern wird von außen nach innen eingefädelt.
Der Ellington-Flaschenzug (nach seinem Erfinder benannt) besteht üblicherweise aus zwei Karabinern, durch die ein Band mehrfach geschlauft wird. Das Band wird durch die sich überlagernden Umwicklungen zu „Ersatzrollen“. Beim Spannen wird an der untersten (inneren) Bandlage gezogen und die darüberliegenden bewegen sich parallel dazu mit. Die große Reibung des Bandes auf dem Karabiner ergibt jedoch nur einen schlechten Wirkungsgrad.
Schnürungen, beispielsweise an Korsetts oder Schuhen verwenden ebenfalls eine rollenlose Zugtechnik. Hierbei ersetzen die Ösen, Haken oder Löcher die Stelle der Rollen. Die Vielzahl der Durchführungen erhöht die Reibung und verschlechtert den Wirkungsgrad, jedoch kann immer noch eine verstärkende Zug- bzw. Spannwirkung auf einer breiten Basis erreicht werden.
Fuhrmannsknoten
Der Fuhrmannsknoten (auch: Trucker's Hitch) stellt einen Flaschenzug dar, der zur Erhöhung der Spannkraft beim Festzurren der Ladung angewandt wird. Der Verstärkungsfaktor entspricht hier 1:2 (ohne Berücksichtigung der hohen Reibung).
Reversion der Flaschenzüge
Spezialisierte Flaschenzüge nutzen auch eine Umkehrung der Zugfunktion eines Flaschenzuges.
Bei Uhren mit Gewichtsantrieb hängt das Antriebsgewicht meist an einer losen Rolle; gelegentlich auch an der Unterflasche eines Rollenzugs, um die Laufzeit der Uhr zu erhöhen.
Der Flugzeugträger USS Hornet (1943–1970) benutzte ein dampfbetriebenes Katapult, welches durch einen Druckzylinder ein Faktoren-Flaschenzugsystem auseinanderdrückte. Über Umlenkrollen zog das so angetriebene Zugseil einen Schlitten, welcher das Flugzeug beschleunigte.
Fahrstühle mit indirekt wirkendem hydraulischen Aufzug benutzen die gleiche Funktion, um mit kurzem Hub einen Fahrstuhl zu bewegen.
Ein umgekehrter Potenzflaschenzug beschleunigt das Zugseil.
Zeichnung von Leonardo Da Vinci mit 20 Rollen Mechatronische Pressen verwenden vorteilhaft das Flaschenzugprinzip, angelehnt an Leonardo Da Vincis Zeichnung vor 500 Jahren.
Hubhöhe unterschiedlicher Bauformen
L. 6 (je 3) Rollen übereinander M. 4 + 3 Rollen nebeneinander R. „Ellington-Flaschenzug“
Die Anordnung der Rollen, bzw. der Flaschenzug-Bauart spielt auch eine entscheidende Rolle bei der maximal erreichbaren Hubposition. Während die übereinander angeordneten Rollen die längste Bauart (Eigenlänge) darstellt, kann die Anordnung auf einer Achse nebeneinander die Baulänge verkürzen. Eine der kürzesten Versionen eines Flaschenzuges stellt der Ellington-Flaschenzug dar.
Rücklaufsicherung
Rücklaufsicherung mit Karabinerklemmknoten. Der (gelbe) „Prusiklift“ führt den Karabiner nach, sobald das „Lastzugseil“ (rot) darunter angezogen wird.Nachführen des Blake-Klemmknotens mittels zweier Kettenglieder, alternativ Prusiklift. Lockern zum Absenken durch die fernbedienbare „Reißleine“
Beim Bewegen von Lasten kann es notwendig werden, die Last auf einer Höhe kurzfristig zu sichern bzw. zu fixieren. Die dafür notwendige Rücklaufsicherung gibt es mit verschiedenen Hilfsmitteln. Zum einen gibt es bei einigen Flaschenzügen schon angebaute Rücklaufsicherungen, welche mit Exzenterklemmen das Seil blockieren. Des Weiteren sind an- oder einzubauende Zusatzteile nützlich und werden entweder von Hand oder automatisch nachgeschoben. Beispiele: Gardaklemme, Kara-Acht-Schlinge, Prusikschlinge, Steigklemme, Tibloc und Tube um nur einige zu nennen. Einige dieser Klemmvorrichtungen wirken in eine Richtung blockierend und können sich nicht selbsttätig lockern, um beispielsweise ein Absenken der Last zu ermöglichen. Durch verschiedene Kombinationen kann dies jedoch erreicht werden. Der Bachmannklemmknoten kann am gezogenen Karabiner (im Bild links: durch die blaue „Reißleine“) gelockert werden. Der Blake-Knoten lässt sich mit einer durchgeschlauften „Reißleine“ (Bild rechts: blaue Leine → nach rechts unten) ebenfalls lockern. Somit lässt sich auch aus einiger Entfernung (z. B. von einem Standplatz am Boden) ein Flaschenzug fixieren, lockern und dadurch nochmals absenkend bedienen.
Reibungsverlust und Wirkungsgrad
Alle oben genannten Gleichungen gelten nur unter der Voraussetzung, dass keine Verluste durch Reibung auftreten. In der Praxis jedoch sind die Reibungsverluste der Umlenkrollen selbst sowie des Seils an den Umlenkrollen nicht zu unterschätzen. Auch besitzen das Seil, die beweglichen Umlenkrollen und die untere Aufhängung eine nicht unerhebliche Masse, die sich mit jeder neuen Rolle weiter erhöht. Die Zugkraft ist in der Praxis deshalb in jedem Fall größer als theoretisch errechnet: . Für den Wirkungsgrad eines Flaschenzuges gilt: .
Literatur
M. Oppolzer, T. Wahls: I Like To Move It. Flaschenzüge in der Seiltechnik. Hamburg 2019, ISBN 978-3-9820618-0-1.
Rescue Technician: Operational Readiness for Rescue Providers. St. Louis, Missouri 1998, ISBN 0-8151-8390-9.
Weblinks
Commons: Flaschenzug – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Commons: Flaschenzug Kräftediagramme – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wasserschöpfen vermittelst einer Flaschenzug-EinrichtungSchöpfwerk. 12. April 2013, archiviert vom Original am 12. April 2013; abgerufen im 1. Januar 1.
Patentbeschreibung: Presse mit Flaschenzugprinzip (Zeichnung)
Bereits 1862 wurde ein Absenken/Bremsen von Lasten an Flaschenzügen vorgestellt. Bremsbarer Flaschenzug von Meunier in Paris Google Books: Peter Rittinger, Die allgemeine Industrieausstellung zu London im Jahre 1862 Hof und Staatsdruckerei Wien, 1862. S. 14
Ein Flaschenzug ist eine Maschine die den Betrag der aufzubringenden Kraft z B zum Bewegen von Lasten verringert Der Flaschenzug besteht aus festen und losen Rollen und einem Seil Bei komplizierten Flaschenzugen sind die Rollen mittels Scheren zum Block zusammengefasst Flaschenzuge werden dabei oft als Teil eines grosseren Mechanismus eingesetzt beispielsweise bei einem Kran wie etwa einem Fahrzeugkran oder einem Turmkran oder in einem Elektroseilzug Flaschenzug Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Funktionsprinzip und Teile des Flaschenzuges 2 1 Flaschen 2 2 Rollen 2 3 Seil 3 Bauformen 3 1 Faktorenflaschenzug 3 1 1 Anderung von Zugrichtung und Angriffspunkt 3 2 Potenzflaschenzug 3 3 Differenzialflaschenzug 3 4 Munchhausentechnik 3 5 Flaschenzug ohne Flaschen oder Rollen 3 5 1 Schweizer Flaschenzug 3 5 2 Ellington Flaschenzug 3 5 3 Schnurungen 3 5 4 Fuhrmannsknoten 3 6 Reversion der Flaschenzuge 3 7 Hubhohe unterschiedlicher Bauformen 3 8 Rucklaufsicherung 4 Reibungsverlust und Wirkungsgrad 5 Literatur 6 Weblinks 7 Einzelnachweise und AnmerkungenGeschichteBereits in der Antike war die Kraftminderung durch Anwendung der Hebelgesetze bekannt Der Erfinder des Flaschenzugs ist nicht bekannt evtl Archytas aber die Erfindung des zusammengesetzten Flaschenzuges 1 wird Archimedes zugeschrieben 2 Eine erste bildliche Darstellung der Kombination von Seil und einfacher Rolle befindet sich jedoch schon auf einem assyrischen Relief um 970 v Chr nbsp Flaschenzug an einem BaukranMit Seilen verspannte Einbaumkrane die uber drei Trispastos oder funf Rollen Pentaspastos liefen sind seit 750 v Chr bekannt nbsp Griechisch romischer Trispastos 3 Rollen Zug der einfachste antike Krantyp 1800 N Last bei 150 N Hebelkraft Zur Geschichte des Krans siehe Geschichte der Krane nbsp Aufrichtung des Obelisken auf dem Petersplatz mit Hilfe von 50 FlaschenzugenVitruv ein romischer Architekt Ingenieur und Architekturtheoretiker des 1 Jahrhunderts v Chr beschrieb in seinem 10 Buch uber den Maschinenbau ausfuhrlich den Trispastos Pentaspastos und Polyspastos Zu jener Zeit war es aber kaum moglich Seile fur Flaschenzuge mit sehr vielen Rollen in der erforderlichen Lange und Tragfahigkeit herzustellen oder sie waren in der benotigten Anzahl fast unbezahlbar Der griechische Mathematiker und Ingenieur Heron von Alexandria lebte vermutlich im 1 Jahrhundert und befasste sich ebenfalls mit dem Flaschenzug Unter der regen Bautatigkeit der romischen Kaiser war der Baukran unentbehrlich zur Errichtung der Arenen Dank verschiedener Umlenkrollen konnten die Bedienungsmannschaften bis zu sieben Tonnen schwere Steinblocke heben Im 6 Jahrhundert um das Jahr 530 wurde ein Kalksandsteinmonolith mit einem Gewicht von 230 Tonnen als Schlussstein des Kuppeldaches fur das Mausoleum des Theoderich bei Ravenna mittels komplizierten Flaschenzugen von 700 Arbeitern auf 16 Meter Hohe gebracht 3 Auch Leonardo da Vinci machte sich in seinen Erfindungen bspw im Codex Atlanticus 4 Codex Forster II amp III 5 den Flaschenzug zunutze 6 In der Renaissance fand der Flaschenzug seine spektakularste Anwendung beim Transport und der Aufrichtung des Obelisken auf dem Petersplatz in Rom vom 30 April bis 16 September 1586 durch den Ingenieur Domenico Fontana 7 8 907 Arbeiter und 75 Pferde drehten an den 40 Spillen und zogen damit uber Umlenkrollen 9 an bis zu 220 Meter langen Seilen 10 die an einem gigantischen Holzgerust hangenden 40 Flaschenzuge um den 330 Tonnen schweren und 25 31 Meter langen Obelisken in die Senkrechte zu bringen 11 12 Bis 1861 blieb der Flaschenzug und seine Anwendung weitgehend unverandert Erst mit dem Differenzialflaschenzug zum ersten Mal in London eingesetzt konnte eine Effizienzsteigerung erreicht werden Heute werden Flaschenzuge vor allem bei Kranen oder Spannvorrichtungen Radspannwerke fur Fahrdrahte eingesetzt Funktionsprinzip und Teile des Flaschenzuges nbsp Der Block Flasche eines Flaschenzuges in Metallausfuhrungund Stahlseil rechts im Bild Ein Flaschenzug besteht aus mindestens einer losen Rolle Scheibe sowie einem Seil Das Funktionsprinzip ist in dem Bild links Erklarung des Flaschenzugs dargestellt In A wird ein Gewicht mit der Masse m hochgezogen wobei die obere Rolle nur die Kraft umlenkt und somit das Gewicht um genau die Strecke angehoben wird die das Seil gezogen wird blaue Markierung und blauer Pfeil In B ist ein einfacher Flaschenzug dargestellt bei dem das Seil am oberen Balken befestigt ist und das Gewicht an einer Rolle in der Seilschlaufe hangt Wird hier das Seil um die gleiche Lange wie in A gezogen so hebt sich das Gewicht nur um die Halfte an Die Seilteile links vom Seilabschnitt an dem gezogen wird mussen namlich insgesamt um die Zugstrecke kurzer werden die sich jedoch auf zwei Seilabschnitte verteilt Die benotigte Kraft wird folglich halbiert wahrend das Seil doppelt so lange wie in A gezogen werden muss um das Gewicht auf eine bestimmte Hohe anzuheben In C ist ein Aufbau gezeigt bei dem das Gewicht auf vier Seilabschnitte verteilt wird und folglich nur ein Viertel der Kraft benotigt wird Die dargestellte Bauweise ist nicht platzsparend und die Rollen konnten zusammengeschoben werden D Eine sehr kompakte Bauweise E ergibt sich wenn man die Rollen noch weiter zusammenschiebt und somit die oberen und unteren Rollen jeweils auf einer Achse liegen Verdreht man die oberen Rollen so ergibt sich dann die ubliche Bauform F nbsp Erklarung des FlaschenzugsFlaschen Flaschen wurden die Halterungen der Rollen genannt und waren meist als Block mhd plock ploch grosses oder zusammenhangendes Stuck aus einem Stuck Hartholz Esche Ruster gearbeitet Heute nennt man die flachen Teile beiderseitig am Rand Backe Wange und zwischen den Rollen Damm insgesamt Scheren In der Seemannssprache wird der Flaschenzug als Talje bezeichnet Hauptartikel Block Schifffahrt Als Jungfer werden meist runde oder halbrunde stabile Holzscheiben mit mehreren Lochern genannt die keinerlei Rollen beinhalten und beispielsweise zum Spannen der Wanten dienten Rollen Die Rollen eines Flaschenzuges wurden fruher ebenfalls Flaschen oder auch Scheiben genannt Der Begriff entstand etwa im 18 Jahrhundert Bei Webmaschinen speziell bei Bandwebmaschinen werden die Spannrollen welche die Kettfaden immer gespannt halten als Flaschen bezeichnet Bevorzugt sind kugelgelagerte Rollen zu verwenden um mit wenig Muskelkraft ein gunstigeres Ubersetzungsverhaltnis zu erreichen Bergsteiger benutzen bei Notlosungen Spaltenbergung auch einfache Karabiner die jedoch durch die Gleitreibung die Zugarbeit erschweren Seil Das Seil sollte ein Statikseil sein um keine unnotigen Dehnungen bzw Streckung zu erhalten die den Hub verlangern wurden Fur extreme Belastungen werden Stahlseile verwendet Slacklines welche uber den Ellington Flaschenzug gespannt werden haben bevorzugt anstelle des Seils ein Flach oder Schlauchband Dieser nach seinem Erfinder benannte Ellington Flaschenzug ist aussergewohnlich und besticht durch seine Einfachheit 13 Die Art und Weise wie das Seil uber die Rollen gefuhrt und einfadelt wird bezeichnet man als Einscherung BauformenFaktorenflaschenzug nbsp Verschiedene Faktorenflaschenzuge n 1 2 3 bzw 4 Die Rollen bei einem Flaschenzug konnen sehr unterschiedlich angeordnet sein Fur die Zugkraft entscheidend ist aber immer die Anzahl der tragenden Seile n displaystyle n nbsp auf die sich die Last verteilt In der rechts abgebildeten Grundform des Flaschenzugs ist die Kraft an jeder Stelle des Seils gleich Die Gewichtskraft F L displaystyle F L nbsp der Masse m displaystyle m nbsp wird daher gleichmassig auf die tragenden Seile zwischen den unteren und den oberen Rollen verteilt Die Zugkraft berechnet sich mit der Schwerebeschleunigung g displaystyle g nbsp zu F Z F L n m g n displaystyle F mathrm Z frac F mathrm L n frac m cdot g n nbsp Nach der Goldenen Regel der Mechanik muss der Haken bei zunehmender Zahl der tragenden Seile eine immer langere Strecke s displaystyle s nbsp bewegt werden um die gleiche Hohenanderung h displaystyle h nbsp zu erreichen s n h displaystyle s n cdot h nbsp Es lasst sich leicht zeigen dass die dazu benotigte Energie E displaystyle E nbsp von n displaystyle n nbsp unabhangig ist E F Z s F L n n h F L h m g h displaystyle E F mathrm Z cdot s frac F mathrm L n cdot n cdot h F mathrm L cdot h m cdot g cdot h nbsp Die Belastung des Deckenhakens F H displaystyle F H nbsp ergibt sich aus der Summe von Zugkraft F Z displaystyle F Z nbsp und Gewichtskraft F L displaystyle F L nbsp F H F Z F L displaystyle F mathrm H F mathrm Z F mathrm L nbsp Die Belastung des Deckenhakens nimmt mit jeder weiteren Rolle ab Anderung von Zugrichtung und Angriffspunkt nbsp Die gleichen Faktorenflaschenzuge gespiegelt vom oberen Bild mit geanderter Zugrichtung und dadurch geandertem Verhaltnis bei gleicher Gewichtskraft und gleicher ZugstreckeWie wichtig auch die Anordnung der Angriffspunkte Fixpunkt Zugpunkt und Zugrichtung ist zeigt das nebenstehende Bild ZugrichtungsanderungWird die Zugrichtung entgegen der Gewichtskraft gerichtet reduziert sich die Belastung des Deckenhakens F H displaystyle F H nbsp und ergibt dadurch auch ein anderes Ubersetzungsverhaltnis Die entgegengesetzte aufwartsgerichtete Zugkraft F Z A w displaystyle F mathrm ZAw nbsp errechnet sich aus der Gewichtskraft F L displaystyle F L nbsp dividiert durch die Anzahl der tragenden Seilstrange n t r a g e n d displaystyle n tragend nbsp F Z A w F L n t r a g e n d displaystyle F mathrm ZAw frac F mathrm L n tragend nbsp dd Die Belastung des Deckenhakens F H displaystyle F H nbsp ergibt sich aus Gewichtskraft minus entgegengerichteter Zugkraft F Z A w displaystyle F mathrm ZAw nbsp Mit jeder weiteren Rolle erhoht sich daher die Kraft F H displaystyle F H nbsp F H F L F Z A w displaystyle F mathrm H F mathrm L F mathrm ZAw nbsp dd Aus der festen Rolle des oberen Bildes wird gespiegelt eine lose Rolle das Verhaltnis der Zugkraft F Z A w displaystyle F mathrm ZAw nbsp zur Gewichtskraft F L displaystyle F L nbsp andert sich damit von 1 1 auf 1 2 Die Zugkraft an der Decke bzw Deckenhaken wird halbiert die Zugstrecke verdoppelt sich Aus dem Verhaltnis 1 2 beim einfachen Flaschenzug wird somit 1 3 Entsprechend wird das Verhaltnis beim dreifachen Flaschenzug von 1 3 zu 1 4 AngriffspunktanderungBeispielsweise werden bei der seilunterstutzten Baumklettertechnik die vorgenannten Faktorenflaschenzuge auch mit vertauschten Fixpunkten verwendet Dadurch kann wenn F H displaystyle F H nbsp mit F L displaystyle F L nbsp getauscht wird ein anderer Angriffspunkt genommen werden Potenzflaschenzug nbsp Potenzflaschenzug 1 4 nbsp Vergleich zum Potenzflaschenzug Zwei gleiche kombinierte Flaschenzuge 1 16 FH Zugkraft am Haken nbsp Die gleichen zwei Flaschenzuge durch geanderten Einbau jetzt aber 1 12 mit einer anderen Zugrichtung Beim Potenzflaschenzug wird die Krafteinsparung ausschliesslich mittels loser Rollen erzielt Das Seil jeder Rolle ist an der Stutze und der nachsten Rolle befestigt Wahrend auf die untere lose Rolle noch die volle Gewichtskraft wirkt wird diese beim unteren Seil schon halbiert sodass an der oberen losen Rolle nur noch die halbe Kraft angreift An dieser Rolle wird die Kraft nochmals halbiert Am Seil der letzten Rolle wirkt schliesslich die Zugkraft die durch eine feste Rolle nach unten umgelenkt wird Dadurch potenziert sich die Wirkung mit der Anzahl n displaystyle n nbsp der losen Rollen F Z F L 2 n displaystyle F mathrm Z frac F mathrm L 2 n nbsp Differenzialflaschenzug nbsp Differenzialflaschenzug nbsp Differenzialwinde nach dem gleichen PrinzipDer Differenzialflaschenzug besteht aus zwei festen Rollen die fest miteinander verbunden sind und unterschiedliche Durchmesser haben Die Last hangt an einer losen Rolle Bei diesem Flaschenzugtyp wird ein durchgehendes d h an den Enden verbundenes Seil verwendet in dem die Spannung nicht uberall gleich ist Das Seil wird von der grosseren Rolle zur Last und auf der anderen Seite uber die kleinere Rolle zuruckgefuhrt Beim Hochziehen wickelt sich so das Seil auf die grossere Rolle auf und von der kleineren Rolle ab Bei einer Umdrehung wird also die Lange der Seilschlaufe an der das Gewicht hangt um die Differenz der beiden Rollenumfange kurzer Wegen der Schlaufe wird das Gewicht nach dem Prinzip des Flaschenzugs aber nur um die Halfte dieser Strecke angehoben Zusatzlich wird die Kraft die fur eine Umdrehung der Rollen benotigt wird durch den Umfang der grosseren Rolle bestimmt Dieser Umfang entspricht namlich gerade der Zugstrecke des Seils fur eine Umdrehung auf die die Arbeit dann verteilt wird Somit ergibt sich fur die Kraft F Z F L 2 p R 2 p r 2 1 2 p R F L R r 2 1 R displaystyle F mathrm Z F mathrm L cdot frac 2 pi R 2 pi r 2 cdot frac 1 2 pi R F mathrm L cdot frac R r 2 cdot frac 1 R nbsp R Radius der grossen Rolle r Radius der kleinen Rolle Ein wichtiger Vorteil dieses Flaschenzugtyps ist die Material und Gewichtsersparnis Durch das umlaufende Seil ist dessen Lange vom Ubersetzungsverhaltnis des Flaschenzugs fast unabhangig Weiterhin sind immer nur drei Rollen erforderlich Da fur die Funktion ein rutsch fester Kontakt zwischen Seil und Rollen erforderlich ist wird bei einem Differenzialflaschenzug statt des Seils auch oft eine Kette und statt der Rolle ein Kettenrad verwendet Wird stattdessen eine Differenzialwinde mit der Kurbellange K verwendet siehe Abbildung R und r sind weiterhin die Radien der Rollen so lautet die Formel F Z F L R r 2 1 K displaystyle F mathrm Z F mathrm L cdot frac R r 2 cdot frac 1 K nbsp Munchhausentechnik nbsp Einfacher Flaschenzug als SelbstaufzugDie Munchhausentechnik ist zur Selbstrettung geeignet wenn beispielsweise der vorausgehende Bergfuhrer in eine Spalte sturzt und der Partner keine Rettungstechniken beherrscht 14 Eine Variante der Munchhausentechnik besteht in der Verwendung eines Flaschenzugs als Selbstaufzug 15 Die Krafteverteilung ist hierbei anders als beim gewohnlichen Flaschenzug zu berechnen Der gesturzte und am Seil hangende Kletterer FL Last zieht sich uber zwei Rollen alternativ mit zwei Umlenkkarabinern am Zugseil selbst in die Hohe Der einfache Flaschenzug tragt nun den Kletterer mit drei Seilstrangen wobei sich das Zuggewicht FZ am Zugseil auf 1 3 der Gewichtskraft reduziert Somit betragt unter Vernachlassigung von Reibung das Ubersetzungsverhaltnis 1 3 Flaschenzug ohne Flaschen oder Rollen Schweizer Flaschenzug Ein Schweizer Flaschenzug ist ein Verfahren der Spaltenbergung bei Unfallen am Gletscher mit Hilfe eines kombinierten Potenz und Faktorenflaschenzugs Dabei wird das Seil direkt uber die Karabiner umgelenkt da bei einer solchen Hilfsmassnahme meistens keine Rollen zur Verfugung stehen Ellington Flaschenzug nbsp Ellington Flaschenzug im Detail Links oben das Kettenglied mit dem eingeschlauften Band welches das Auge fur den Karabiner bildet Das Band zwischen den Karabinern wird von aussen nach innen eingefadelt Der Ellington Flaschenzug nach seinem Erfinder benannt besteht ublicherweise aus zwei Karabinern durch die ein Band mehrfach geschlauft wird Das Band wird durch die sich uberlagernden Umwicklungen zu Ersatzrollen Beim Spannen wird an der untersten inneren Bandlage gezogen und die daruberliegenden bewegen sich parallel dazu mit Die grosse Reibung des Bandes auf dem Karabiner ergibt jedoch nur einen schlechten Wirkungsgrad Schnurungen Hauptartikel Schnurung Schnurungen beispielsweise an Korsetts oder Schuhen verwenden ebenfalls eine rollenlose Zugtechnik Hierbei ersetzen die Osen Haken oder Locher die Stelle der Rollen Die Vielzahl der Durchfuhrungen erhoht die Reibung und verschlechtert den Wirkungsgrad jedoch kann immer noch eine verstarkende Zug bzw Spannwirkung auf einer breiten Basis erreicht werden 16 17 Fuhrmannsknoten Der Fuhrmannsknoten auch Trucker s Hitch stellt einen Flaschenzug dar der zur Erhohung der Spannkraft beim Festzurren der Ladung angewandt wird Der Verstarkungsfaktor entspricht hier 1 2 ohne Berucksichtigung der hohen Reibung Reversion der Flaschenzuge Spezialisierte Flaschenzuge nutzen auch eine Umkehrung der Zugfunktion eines Flaschenzuges Bei Uhren mit Gewichtsantrieb hangt das Antriebsgewicht meist an einer losen Rolle gelegentlich auch an der Unterflasche eines Rollenzugs um die Laufzeit der Uhr zu erhohen Der Flugzeugtrager USS Hornet 1943 1970 benutzte ein dampfbetriebenes Katapult welches durch einen Druckzylinder ein Faktoren Flaschenzugsystem auseinanderdruckte Uber Umlenkrollen zog das so angetriebene Zugseil einen Schlitten welcher das Flugzeug beschleunigte 18 Fahrstuhle mit indirekt wirkendem hydraulischen Aufzug benutzen die gleiche Funktion um mit kurzem Hub einen Fahrstuhl zu bewegen 19 Ein umgekehrter Potenzflaschenzug beschleunigt das Zugseil 20 nbsp Zeichnung von Leonardo Da Vinci mit 20 Rollen Mechatronische Pressen verwenden vorteilhaft das Flaschenzugprinzip angelehnt an Leonardo Da Vincis Zeichnung vor 500 Jahren 21 Hubhohe unterschiedlicher Bauformen nbsp L 6 je 3 Rollen ubereinanderM 4 3 Rollen nebeneinander R Ellington Flaschenzug Die Anordnung der Rollen bzw der Flaschenzug Bauart spielt auch eine entscheidende Rolle bei der maximal erreichbaren Hubposition Wahrend die ubereinander angeordneten Rollen die langste Bauart Eigenlange darstellt kann die Anordnung auf einer Achse nebeneinander die Baulange verkurzen Eine der kurzesten Versionen eines Flaschenzuges stellt der Ellington Flaschenzug dar Rucklaufsicherung nbsp Rucklaufsicherung mit Karabinerklemmknoten Der gelbe Prusiklift fuhrt den Karabiner nach sobald das Lastzugseil rot darunter angezogen wird nbsp Nachfuhren des Blake Klemmknotens mittels zweier Kettenglieder alternativ Prusiklift Lockern zum Absenken durch die fernbedienbare Reissleine Beim Bewegen von Lasten kann es notwendig werden die Last auf einer Hohe kurzfristig zu sichern bzw zu fixieren Die dafur notwendige Rucklaufsicherung gibt es mit verschiedenen Hilfsmitteln Zum einen gibt es bei einigen Flaschenzugen schon angebaute Rucklaufsicherungen welche mit Exzenterklemmen das Seil blockieren Des Weiteren sind an oder einzubauende Zusatzteile nutzlich und werden entweder von Hand oder automatisch nachgeschoben Beispiele Gardaklemme Kara Acht Schlinge Prusikschlinge Steigklemme Tibloc und Tube um nur einige zu nennen Einige dieser Klemmvorrichtungen wirken in eine Richtung blockierend und konnen sich nicht selbsttatig lockern um beispielsweise ein Absenken der Last zu ermoglichen Durch verschiedene Kombinationen kann dies jedoch erreicht werden Der Bachmannklemmknoten kann am gezogenen Karabiner im Bild links durch die blaue Reissleine gelockert werden Der Blake Knoten lasst sich mit einer durchgeschlauften Reissleine Bild rechts blaue Leine nach rechts unten ebenfalls lockern Somit lasst sich auch aus einiger Entfernung z B von einem Standplatz am Boden ein Flaschenzug fixieren lockern und dadurch nochmals absenkend bedienen 22 23 Reibungsverlust und WirkungsgradAlle oben genannten Gleichungen gelten nur unter der Voraussetzung dass keine Verluste durch Reibung auftreten In der Praxis jedoch sind die Reibungsverluste der Umlenkrollen selbst sowie des Seils an den Umlenkrollen nicht zu unterschatzen Auch besitzen das Seil die beweglichen Umlenkrollen und die untere Aufhangung eine nicht unerhebliche Masse die sich mit jeder neuen Rolle weiter erhoht Die Zugkraft ist in der Praxis deshalb in jedem Fall grosser als theoretisch errechnet F Z gt F L n displaystyle F mathrm Z gt frac F mathrm L n nbsp Fur den Wirkungsgrad eines Flaschenzuges gilt h W nutz W zu F L h F Z s displaystyle eta frac W text nutz W text zu frac F mathrm L cdot h F mathrm Z cdot s nbsp LiteraturM Oppolzer T Wahls I Like To Move It Flaschenzuge in der Seiltechnik Hamburg 2019 ISBN 978 3 9820618 0 1 Rescue Technician Operational Readiness for Rescue Providers St Louis Missouri 1998 ISBN 0 8151 8390 9 Weblinks nbsp Commons Flaschenzug Album mit Bildern Videos und Audiodateien nbsp Commons Flaschenzug Kraftediagramme Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien nbsp Wiktionary Flaschenzug Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Materialsammlung und Aufgaben auf LEIFIphysik Entspannt auf Spannung Flaschenzuge in der Baumpflege Flaschenzug ohne Flaschen PDF der Uni Munster Leonardos Flaschenzugstudie mit 20 Rollen Codex Forster III Einzelnachweise und Anmerkungen Die einfachen Maschinen Deutsches Museum PDF 1 3 MB Plutarch Bioi paralleloi Marcellus 14 8 engl Ubers Thayer Loeb 1917 vgl Polybios Historiai 8 5 7 engl Ubers Thayer Loeb 1922ff berichtete dass Archimedes ein beladenes Kriegsschiff mittels Flaschenzugen und seiner eigenen Korperkraft aus dem Arsenal des Konigs gezogen haben soll GEOEPOCHE Nr 76 Seite 139 Kranbild mit Flaschenzug von Leonardo Beweglicher Flaschenzug an Kran Flaschenzugstudie von Leonardo Leonardos Hebemaschine Leonardos Flaschenzug mit Bild Memento vom 25 Januar 2013 im Internet Archive Transport und Errichtung Memento vom 1 Mai 2010 im Internet Archive Moving the Vatican Obelisk Anordnung der Umlenkrollen auf dem Boden The sky is the limit human powered cranes and lifting devices The obelisk was raised using a wooden lifting tower 27 3 metres tall ropes up to 220 metres long 40 capstans 800 men and 140 horses unterschiedliche Stuckzahlangaben Anordnung der 40 Spillanlagen um den Obelisken Bild Anordnung der Flaschenzuge Bild mit verschiedenen Blocken mit bis zu je 6 Rollen um 1600 Bild Anordnung der Blocke am Obelisk Ellington Flaschenzug Bild auf www bergfreunde de Memento vom 1 Februar 2014 im Internet Archive Die Munchhausentechnik Der Lugenbaron als Bergretter PDF 753 kB Die zweite Variante besteht in der Prusiktechnik mit Steigschlinge und Prusikknoten Einseitiger Flaschenzug Schnurung an einem orthopadischen Korsett Memento vom 21 Februar 2014 im Internet Archive Flaschenzug ohne Rollen Prinzipien Modelle etc ABoK 3118 3121 dito 3260 3266 Quelle HISTORIC AMERICAN ENGINEERING RECORD U S S HORNET CVS 12 PDF Datei Memento vom 22 Februar 2014 im Internet 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