Maschinen für den Betrieb mit der Hand und mit Pferden

Wir stellen uns die Aufgabe, leichte, stabile und schlagkräftige Maschinen für Kleinbetriebe zu entwickeln, die entweder von einer Person oder mit Pferden betrieben werden können. Wir zeigen Ihnen hier auf, was die wichtigsten Parameter sind, die im Grundsatz bei Maschinen für die Agrarwirtschaft geklärt werden müssen.

Eigengewicht

Es ist kar. Wollen wir ein Gerät von einer Person betreiben lassen, so müssen wir leicht bauen. SUVA (Schweizerische Unfall Verhütungs Anstalt - die Gesetzgeberin im Bereich körperliche Belastungen am Arbeitsplatz) schreibt vor, dass ein Mensch nicht mehr als 25kg anheben darf (dies sind 250N - siehe Berechnung unten). Wir nehmen einfach diesen Masstab für alle unsere Berechnungen, die wir folgend erklären. Sehen wir uns einen Einachsmäher an. Die haben ein viel zu hohes Eigengewicht. Die meisten wiegen ohne Anbaugeräte weit mehr als 100kg. Das ist natürlich von einer Person ohne Motor nicht mehr zu bewegen.  25kg ist also unser Massstab. Mit Kohlenfaser ist das realisierbar. Ein Gestell eines solchen Mähers würde ohne Balken mit grosser Sicherheit weniger als 10kg wiegen. Ein so leichtes Gerät zu schieben braucht eine Zugkraft die vernalässigbar ist (auf grosse Räder gestellt, braucht das weit weniger Zugkraft als ein kg). Damit haben wir Energie zu Verfügung um das Gerät zu betreiben.

Nun wollen wir noch über die Zugkraft von Pferden sprechen. Die liegt bei 300kg, wenn man von einer Dauerbelstung von 10h pro Tag ausgeht und voraussetzt dass eine Pferderasse einer leichten Kaltblutzucht (Freiberger, Noriker, Haflinger, etc) vorgespannt wird.

Radgrösse / Drehmoment

Alte Geräte hatten immer grosse Räder. Woher kommt das? Will man mit 25kg Zugkraft ein Gerät betreibn, so muss man einen Antrieb (der natürlich immer durch die Räder generiert wird) haben, der leichtzügig ist und ein grosses Drehmoment erzeugt. HIer kommt der Schlüssel: die Formel für das Moment heisst: Moment ist gleich Kraft mal Abstand - also M = F*a. F ist hier die Zugkraft und a ist der Radius des Antriebsrad. Grundeinheiten sind immer wichtig in solchen Formeln. Kraft wird in N angegeben und der Abstand in Meter. Das ist das Geheimnis!

Ein Rad mit Radius kleiner als ein Meter verkleinert die Antriebskraft im Umsetzen in Drehmoment - z.B.: 0.5m mal 250N ergibt 125Nm verfügbares Drehmoment (Beim Pferd 0.5m * 3000N = 1500Nm).

Ein Rad mit Radius grösser als ein Meter vergrössert die Antriebskraft beim Umsetzen in Drehmoment - z.B.: 1.2m mal 250N ergibt 300Nm verfügbares Drehmoment (beim Pferd 1.2m * 3000Nm = 3600Nm - vergleichen Sie dieses Drehmoment mit dem Drehmoment Ihres Traktors).

300Nm ist eine sehr interessante Grösse (also die Kraft, die von einer Person erzeugt werden kann an einem Gerät) - vergleichen Sie doch einfach den Motor Ihres Autos damit. Sie werden erstaunt feststellen, dass ein Moter eines Mittelklassewagens auch heute noch selten mehr Drehrmoment erzeugt als 300Nm. Das können Sie auch, wenn Sie nur ein Rad einsetzen, das gross genug ist! Wichtig ist natürlich, das das Eigengewicht vom Rad sehr klein bleibt. Würde das Rad schwer, so würde allein das Gewicht des Rades die ganze Zugkraft verbrauchen. Man hätte damit keine Kraft mehr, um die Maschine zu betreiben.

Reibung

Drei Arten von Reibung kennt die Physik. Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung. Haftreibung ist zum Beispiel ein Reifen auf Asphalt, wenn die Bremse angezogen ist. Das Fahrzeug kann damit nicht wegrutschen. Gleitreibung ist, wenn ein Fahrzeug mit blockierten Rädern gestoppt wird. Die Reifen gleiten auf der Unterlage. Rollreibung kennen wir von jedem Rad. Die Grössenverhältnisse von Gleitreibung zu Rollreibung sind hier vorallem interessant. Ein Anwendungsbeispiel im Ackerbau: Gleitreibung tritt am Pflug auf. Rollreibung an einer Scheibenegge. Es ist offensichtlich, dass der Durchmesser der Scheiben massgebend ist, wieviel Reibung überwunden werden muss (siehe Radgrösse oben).

Leistung

Auch die Leistung wollen wir genau ansehen. Wie entsteht diese erstaunlich hohe Leistung, die Verbrennungsmotoren erzeugen können? Sehen wir uns die Formel an: Leistung ist Arbeit pro Zeit. Beisspiel: Sie tragen 10kg Masse 10m weit. Das ist die Definietion von Arbeit. Wenn Sie dies einmal in einer Stunde tun, beschreiben Sie Leistung. Wenn Sie die 10kg nun 10 mal pro Stunde über die gleiche Strecke transportieren, haben Sie 10 mal mehr Leistung erzeugt. Die Wiederholung der Arbeit macht es aus (Verbrennungsmotor: Zylinder in die verschiedenen Stellungen bringen, die für den Prozess der Takte nötig sind). Hier haben wir es: Ein Verbrennungmotor kann, weil er auf eine Welle wirkt - sich also im Kreis dreht - pro Zeit sehr viele Wiederholungen erzeugen. Das Vermögen, mehrere Tausend Umdrehungen pro Minute zu erreichen, ist es, wie die enormen Leistungen entstehen. Wenn Sie sich schnell im Kreis drehen, wird es Ihnen höchgstens übel. Nach der Erholung werden Sie feststellen, dass Sie gar nichts erreicht haben.

Fazit

Wir müssen also Drehmoment nutzen können, um die bescheidene Zugkraft, die ein Mensch maximal erzeugen kann, besser nutzen zu können. Sorgen Sie sich nicht. Wenn Sie sich vorstellen, wie wenig Fläche 5 Hektar wirklich sind, stellen Sie fest, dass die Leistung eines Motors bei weitem übertrieben ist. In den Kleinbetrieben in der Landwirtschaft braucht es das Leistungsvermögen von Motoren nicht mehr. Dies vorallem, weil wir heute Werkstoffe zu Verfügung haben, mit denen wir extrem leichte, sehr stabile und dauerhafte Maschinen bauen können. Das Eigengewicht wird zum wichtigsten Merkmal der Geräte.