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Balancierende Figuren und Objekte – Kräftegleichgewicht – Hebel

Mobiles und ähnliche Objekte beruhen auf dem Hebelgesetz. Die Stange, an der links und rechts jeweils ein Körper mit einem Faden angehängt ist, ist wiederum an einem Faden aufgehängt. Auf die beiden, an den Stangenenden angehängten Körper wirkt die Erdanziehungskraft, die beide Körper nach unten zieht. Gleichgewicht herrscht dann, wenn die Produkte aus Gewichtskraft FG (durch die Masse der Körper bestimmt) und Abstand a zum Faden gleich sind:

FG1 a1 = FG2 a2

Ist Körper 1 schwerer als Körper 2, muss demnach im Gleichgewicht der Abstand a1 kleiner als der Abstand a2 sein, ansonsten dreht sich die Stange, bis sie senkrecht nach unten zeigt und der Körper mit dem größeren Produkt unten hängt.

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Abb. 2: Gleichgewicht am Mobile

Die physikalische Erklärung für den Gleichgewichtszustand eines Körpers wie in der folgenden Abbildung (Abb. 3) ist der obigen Erklärung sehr ähnlich. Die Gewichtskraft auf den linken Teil des Körpers dreht ihn nach unten links, die Gewichtskraft auf den rechten Teil dreht ihn nach rechts unten. Im Gleichgewichtszustand ist die Drehung nach rechts genauso stark wie die nach links und der Körper bleibt im Gleichgewicht.

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Abb. 3: Gleichgewicht bei einem ausgedehnten Körper

Schwerpunkt
Der „Schwerpunkt“ ist ein gedachter Punkt, in dem man sich die gesamte Masse eines Objektes vereint vorstellen kann. Unterstützt man einen Körper im Schwerpunkt, dann dreht er sich nicht. Ein Besenstiel kann auf einem Finger balanciert werden. Der Schmetterling in Abb. 3 wird im Schwerpunkt unterstützt. Für die Standfestigkeit eines Gegenstandes ist die Lage seines Schwerpunktes bezüglich der Standfläche von Bedeutung. Der Gegenstand kann nur dann nicht umfallen, wenn das Lot des Schwerpunktes innerhalb der Standfläche liegt.

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