Hefbomen
I. Horizontaal gebruikt: zware lasten heffen
Een van de oudst bekende mechanismen is de hefboom. Je tilt er de zwaarste lasten mee. Heb je een voldoende stevig steunpunt, dan ontwricht je er de hele aarde mee. Althans, wanneer je een voldoend sterke hefboom zou kunnen maken.
Je gebruikt een lange staaf met een licht naar boven geknikt plat uitlopend uiteinde. Dat uiteinde steek je onder de te tillen last. Je wipt de hefboom op een steunpunt dat vlak bij de last ligt en drukt het vrije uiteinde met kracht omlaag. Stel dat je een verticale kracht van 25 kg uitoefent. Als de hefboom 100 cm lang is, en het steunpunt bijvoorbeeld 5 cm van de last ligt, kun je op deze manier (100 / 5) × 25 = 500 kg van de grond heffen.
Zo werk je met een hefboom
Natuurlijk heeft elk voordeel ook een nadeel. Druk je het vrije uiteinde van de hefboom 40 cm omlaag, dan gaat de last maar 40 / ( 100 / 5 ) = 2 cm omhoog. Wil je hogerop, dan moet je stophout onder de last schuiven, vervolgens ook onder het steunpunt van de hefboom, en de hele operatie herhalen. Dit blijf je doen tot je al zwoegend de gewenste hoogte hebt bereikt. Per keer ga je 2 cm verder omhoog.
In de praktijk loop je overigens al spoedig tegen een probleem aan. Naarmate de stapel stophout onder het steunpunt van de hefboom hoger wordt, veert hij bij het aandrukken van de hefboom verder in. Op een gegeven moment hou je helemaal geen werkzame slag meer over .... Bovendien is dat gedoe met stophout erg omslachtig.
De Heblade
Deze problemen werden al vóór de 18e eeuw op elegante wijze opgelost met de zogenaamde "Heb-lade", die je hier ziet. Leupold beschrijft in zijn Theatrum Machinarum (1724-1739) hoe zo'n vernuftig geval werkt.
Een Heblade
De hefboom heeft aan de onderzijde twee uitsparingen 1 en 3. In de zijden van de Heb-lade zijn twee versprongen rijen gaten G en H geboord. Hierdoor worden de pennen O en P gestoken. De hefboom draait om de linkerpen, tot zijn linkereinde geheel naar beneden is gedrukt. Je steekt dan de rechterpen in het gat dat één halve steek hoger ligt dan de linkerpen. Vervolgens til je het linkereinde van de hefboom helemaal op. Hij scharniert daarbij om de zojuist aangebrachte rechterpen. De last zakt hierbij maar een klein stukje omdat het ophangpunt van de last en het rechterdraaipunt dicht bij elkaar liggen.
Als de hefboom helemaal is opgetild, kun je de linkerpen één gat hoger steken. Dat wordt het nieuwe draaipunt. Druk je nu het eind van de hefboom weer helemaal naar beneden, dan stijgt de last weer een volle stap. Wijst het linkereinde van de hefboom helemaal naar beneden, dan verplaats je de rechterpen één gat naar boven .... enzovoorts .... Dit hele spel blijft zich herhalen tot de last hoog genoeg is geheven (of tot je het eind van de Heblade hebt bereikt).
II. Verticaal gebruikt: verstel-mechanisme
Als er toevallig een muur vlak naast een zwaar voorwerp staat, kun je een verticale hefboom gebruiken om dat voorwerp een stukje van die muur af te schuiven. Moet het ding juist naar de muur toe, dan is de hefboom onbruikbaar. Je kunt hem nergens tegen afzetten.
Nee, verticale hefbomen worden overwegend voor andere doeleinden gebruikt. Om een wissel om te zetten en te vergrendelen, bijvoorbeeld. Op rangeerterreinen stonden in de sein- en wisselwachtershuizen hele batterijen hefbomen.
Een wissel: omgezet en vergrendeld met een hefboom
Synchrone hefbomen
Deze animatie is gemaakt in OpenSCAD. Je vindt de code hier: Hefboom_Synchroon.scad.
Het essentiële punt van een hefboom als verstel-mechanisme is, dat je door aan de hefboom te trekken of duwen, ergens anders, mogelijk vele tientallen meters ver, een soortgelijke beweging opwekt. Dat gebeurt met koppelstangen of staalkabels. Zulke stangen of kabels kunnen behoorlijk lang zijn - vooropgesteld dat ze soepel lopen in hun ondersteuning. De slag van de koppelstang of kabel is kleiner dan die van de handgreep van de hefboom; de kracht op de koppelstang of kabel is evenredig groter. Dat is voor het meeste gebruik prima. Een koppelstang kan trek en druk overbrengen, dat wil zeggen, zowel de heengaande als de teruggaande beweging; een kabel kan alleen trek overbrengen. Voor de teruggaande beweging heb je in het laatste geval een aparte kabel nodig. Soms voldoet trouwens ook een sterke trekveer.
Basistypen verticale hefbomen
We zullen eerst eens zien, wat voor basis-soorten hefbomen er te onderscheiden zijn. Ik noem er vier.
- Enkelzijdige hefboom, die één trekstang bedient. Deze maakt een hoek van 90° met de hefboom.
- Enkelzijdige hefboom met arm onder 90°. Beweegt twee trekstangen, die hoeken van 0° en 90° met de hefboom maken.
- Enkelzijdige hefboom met twee armen op 0° en 180°. Bedient drie trekstangen, die hoeken van 0°, 90° en 180° met de hefboom maken.
- Dubbelzijdige hefboom, die twee trekstangen beweegt. Die maken hoeken van 90° en 270° met de hefboom.
Deze hefbomen zijn bijzonder geschikt om in een metaalbouwdoos te worden (na)gebouwd. Ik geef daarom van elk basistype een isometrische CAD-tekening van een uitvoering in dit medium. Bij de constructie van de modellen ben ik van eenvoudige basis-onderdelen uitgegaan. Ze kunnen dus met weinig moeite en investering worden gebouwd. Een spannend tech-demo-project!
N.B. - Al mijn CAD-tekeningen (2D - isometrisch - exploded views) op deze website zijn in het *.DWF-formaat - klik een link om de betreffende tekening te openen. Heb je nog geen *.DWF-viewer geïnstalleerd? Raadpleeg dan DEZE pagina.
Keermechanismen
De volgende twee hefbomen zijn wat anders van karakter. Ik heb ze eveneens nagebouwd met onderdelen van een metaalbouwdoos en deze uitvoering in CAD getekend.
III. Hefbomen met voorkeursstanden
Het is wel aardig, dat je met een hefboom en wat koppelstangen of -kabels een beweging op afstand kunt uitvoeren, maar daarmee ben je er nog niet. Je kunt moeilijk de hefboom steeds maar in de gewenste stand blijven vasthouden. Vrijwel altijd zul je hem dus in de gewenste stand willen fixeren. Daarvoor zijn in de loop van de tijd allerlei mechaniekjes bedacht. Ik toon er hieronder vier, van verschillende soort en functie.
Type 1: flip-flop
Door het gewicht aan de hefboom valt deze automatisch ofwel geheel naar links ofwel geheel naar rechts. Andere posities zijn instabiel. Je kunt desgewenst het gewicht zwaarder kiezen. Dan zijn de twee standen zekerder - het kost meer kracht om de hefboom over te halen. De geleideboog zorgt er voor, dat de verzwaarde hefboom niet gaat zwabberen. Verder begrenst hij de slag van de hefboom.
Type 2: vijf (instelbare) standen
In de geleideboog zie je vijf boutjes. Deze kunnen naar wens worden gepositioneerd in de boog. Op de hefboom is een verticale schuif gemonteerd. Deze heeft aan de onderzijde een vork, die precies over zo'n positie-boutje past. Wil je de hefboom in een andere positie brengen, dan trek je eerst de schuif omhoog, vervolgens draai je de hefboom naar de gekozen stand en tenslotte duw je de schuif weer naar beneden, over het gekozen boutje heen. Dan is de zaak weer gefixeerd.
Type 3: willekeurig instelbare standen, eenvoudige versie
Makkelijker kan het haast niet. Je draait de vleugelmoer los, brengt de hefboom in de gewenste stand en draait de vleugelmoer weer aan. Een mogelijk nadeel van deze uitvoering: als de vleugelmoer lostrilt, of slipt, ben je de positie kwijt.
Type 4: willekeurig instelbare standen, verbeterde versie
Komt tegemoet aan het bezwaar tegen Type 3 hierboven. De gewenste stand van de hefboom wordt verkregen door het draaien aan de slinger. De verstelling vindt plaats met een schroefdraad. Deze is altijd zelfremmend, net als een worm-wormwiel combinatie. Derhalve kan het kwijtraken van de ingestelde positie niet meer voorkomen. Kies je een fijne spoed voor de schroefdraad, dan kun je de stand nauwkeurig instellen.
