7. – 8. Schuljahr

Rita Wodzinski

Der Schaduf

Nachdenken über das Verhältnis von Physik und Technik

Der Schaduf ist ein Gerät, das in der Antike zur Bewässerung der Felder in der Nilregion diente. Mit dem Gerät wurde in der Trockenzeit Wasser aus Kanälen geschöpft und auf die Felder gegossen. Geräte dieser Art werden aber auch heute noch in verschiedenen Regionen der Welt verwendet, auch in Europa (z.B. in Ungarn, Estland oder Rumänien; s. Abb. 1 ).
Aufbau und Bedienung
Der Schaduf besteht im Wesentlichen aus einer Art Waagebalken, der auf einem Querbalken beweglich gelagert ist. An einer Seite des Schadufbalkens ist ein schweres Objekt (das Gegengewicht) fixiert, an der anderen Seite hängt der Wassereimer an einem Seil oder einer Stange. Die Seite des Schadufbalkens, an der der Eimer hängt, ist in der Regel etwas länger als die Seite, an der das Gegengewicht hängt (s. Abb. 1 und 2 ).
Im Physikunterricht findet der Schaduf gern als Beispiel eines Hebels Erwähnung. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Arbeitserleichterung optimal ist, wenn das Gegengewicht den Schadufbalken mit vollem Eimer ins Gleichgewicht bringt. Dann ist eine vernachlässigbar kleine Kraft nötig, um den vollen Eimer zu heben.
Bei genauerer Betrachtung fällt jedoch auf, dass für die Dimensionierung eines Schadufs der Vergleich der Massen und Abstände allein nicht genügt. Hinzu kommt, dass nicht nur das Heben, sondern auch das Senken des Eimers betrachtet werden muss.
Wie benutzt man den Schaduf?
Bei Wikipedia beispielsweise findet man, dass die typische Bedienung des Schadufs am Gegengewicht erfolgt. Das Gegengewicht wird gehoben, um den Eimer zu versenken und nach unten gedrückt, um den Eimer zu heben. Wenn das Gegengewicht an der kürzeren Balkenseite befestigt ist, dann hat diese Bedienungsweise den Vorteil, dass die Kräfte über kurze Wege ausgeübt werden, allerdings wäre zum Senken eines leeren Eimers eine vergleichsweise große Kraft erforderlich. Auch dass der Eimer von der Person, die den Schaduf bedient, weit entfernt ist, erscheint eher unpraktisch.
In alten ägyptischen Zeichnungen, in Illustrationen oder auf Fotos sieht man dagegen, dass eine typische Bedienung des Schadufs auf der Eimerseite erfolgt, indem der Eimer am Seil in das Wasser gelassen und auch am Seil wieder hochgezogen wird. Man kann sich leicht vorstellen, dass die Art der Bedienung und auch die Dimensionierung des Schadufs entscheidend von den jeweiligen geografischen Gegebenheiten abhängt, d.h. insbesondere davon, wie tief die Wasserstelle liegt und wie gut sie zugänglich ist (s. Abb. 2).
Arbeitserleichterung durch den Schaduf
Die Arbeitserleichterung durch den Schaduf besteht vor allem darin, dass der Nutzer sich nicht mehr zu bücken braucht, sondern relativ bequem das Seil bedienen kann. Um die Arbeitserleichterung quantitativ zu beurteilen, darf man sich nicht nur auf das Heben des vollen Eimers beschränken, sondern muss den Prozess insgesamt betrachten. Einerseits muss also die Kraft betrachtet werden, die zum Heben des vollen Eimers gebraucht wird, und andererseits die Kraft, die für das Versenken des leeren Eimers nötig ist. Ist das Gegengewicht so groß, dass es den Schadufbalken bei vollem Eimer ins Gleichgewicht bringt, dann ist zwar zum Heben des vollen Eimers keine zusätzliche Kraft mehr erforderlich. Für das Absenken des leeren Eimers mit dem Schaduf ist dagegen eine relativ große Kraft erforderlich. Diese Kraft wird umso größer, je schwerer das Gegengewicht ist.
Modellexperiment
Die Abbildungen 3a – c zeigen eine entsprechende Umsetzung im Modell. Als Waagbalken diente hier ein Besenstil von ca. 1,3 m Länge. Der Wassereimer hat eine Gewichtskraft von 20 N, das Gegengewicht von 15 N. In den Abbildungen 3a und b wird die Gleichgewichtssituation bei vollem und leerem Eimer modelliert. In Abbildung 3c ist eine Mittelposition zu sehen, die zum Heben und Senken des Eimers eine vergleichbar große Kraft von etwa 10 N erfordert.
Welches Gegengewicht...

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