Making Things Move – Die Welt bewegen

Dustyn Deutsche Übersetzung von Peter Klicman Roberts

Copyright © 2011 O’Reilly Verlag GmbH & Co. KG

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Copyright der deutschen Ausgabe:

1. Auflage 2011

Die Originalausgabe erschien 2010 unter dem Titel
Making Things Move bei McGraw-Hill / AB Electronics.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten
sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Übersetzung und deutsche Bearbeitung: Peter Klicman
Lektorat: Volker Bombien, Köln
Fachliche Unterstützung: René Bohne, Aachen
Korrektorat: Dr. Dorothée Leidig
Satz: Andreas Franke, SatzWERK, Siegen; www.satz-werk.com
Produktion: Andrea Miß, Köln
Belichtung, Druck und buchbinderische Verarbeitung:
Druckerei Kösel, Krugzell; www.koeselbuch.de

Dieses Buch ist auf 100% chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt.

O’Reilly Verlag Balthasarstr. 81 50670 Köln kommentar@oreilly.de

Über die Autorin

Dustyn Roberts ist eine klassisch ausgebildete Ingenieurin mit unkonventionellen Ideen zur Ingenieursausbildung. Sie begann ihre Karriere bei Honeybee Robotics als Ingenieurin beim Sample Manipulation System-Projekt für die Mars Science Laboratory-Mission der NASA, deren Start für 2011 geplant ist. Bei Honeybee entwarf sie auch einen Roboter-Bohrer, leitete den Feldversuch eines Roboter-Lastwagens in einer australischen Mine, unterstützte Anträge für DARPA, NIH, NASA und das DOD und leitete ein Projekt mit dem Goddard Space Flight Center, um ein portables System zur Verarbeitung von Proben zu entwickeln. Nachdem Sie sich mit zwei Künstlern während deren Aufenthalt am Eyebeam Art + Technology Center in New York unterhalten hatte, gründete sie Dustyn Robots (www.dustynrobots.com), ist aber auch weiterhin beratend tätig, wobei ihre Arbeiten von der Ganganalyse bis zum Entwurf ferngesteuerter Fallschirme reichen. Im Jahr 2007 entwickelte Sie einen Kurs für das Interactive Telecommunications Program (ITP) der New Yorker Universität. Dieser Kurs hieß „Mechanisms and Things That Move“ (Mechanismen und Dinge, die sich bewegen) und führte zu dem Buch, das Sie gerade in Händen halten.

Dustyn hat einen BS in Maschinenbau und Bioingenieurwesen von der Carnegie Mellon University (mit den Nebenfächern Robotik und Betriebswirtschaft) sowie einen MS in Biomechanik und Movement Science von der University of Delaware und macht gerade ihren Doktor in Maschinenbau an der NYU-Poly. Auch Medien wie Time Out New York, PSFK, IEEE Spectrum und andere lokale Organisationen sind auf sie aufmerksam geworden. Sie lebt momentan in New York City mit ihrer Partnerin Lorena und ihrer Katze Simba.

Danksagungen

Zuerst möchte ich meiner Familie und meinen Freunden danken, die ich mit viel zu vielen „Ich kann nicht—ich muss schreiben“ versetzt habe. Meinem Vater dafür, dass er Ingenieur ist und meine Ideen unterstützt, auch wenn sie nicht unbedingt eine gute Geschäftsidee sind. Meiner Mutter für ihren Glauben an meine Fähigkeiten, auch wenn Sie keine Ahnung hat, wovon ich rede.

Dank an das Interactive Telecommunications Program (ITP) der NYU, insbesondere an Red Burns und Tom Igoe, die eine Ingenieurin angestellt haben, um Künstler zu unterrichten. Tom wurde für meinen Kurs sehr schnell weit mehr als nur der Bereichsleiter. Er unterstützte und ermutigte mich vom ersten Tag an und wurde zu meinem Mentor. Als ich mit dem Unterrichten begann, war ich eine Ingenieurin, doch nun bin ich auch ein „Schöpfer“. Danke für die Herausforderung, mein Fachgebiet zugänglich zu machen und andere zu befähigen, indem ich Dinge „mache“. Ich habe zweifellos mehr gelernt als ich lehrte. Dank auch an das ITP dafür, dass es Studenten anzieht, die zu lehren ein Vergnügen ist. Jeder Student, mit dem ich zu arbeiten Gelegenheit hatte, hat dieses Buch mit gestaltet.

Dank an das Eyebeam Art + Technology Center, das diese Arbeit durch ihr „artist in residency“-Programm unterstützt und großartige Praktikanten anzieht. Dieses Buch hätte wesentlich länger gedauert und wesentlich weniger Spaß gemacht, wenn ich nicht mein Praktikanten-Team gehabt hätte, das für wenig mehr als ein kostenloses Mittagessen und dem Versprechen von Ruhm und Ehre mitgearbeitet hat. An Sean Comeaux für all die Abbildungen und dafür, dass er mir neue Wege zeigte, Dinge zu erklären. An Sam Galison und Stina Marie Hasse Jorgensen für ihren Enthusiasmus und die erstaunliche Arbeit an den Projekten, Fotografien und Videos für die Website. Ich bin sicher, dass keiner von beiden Kapitel 6 oder die „Not Lazy Susan“ so bald vergessen wird. Dank an die anderen Ortsansässigen, Fellows und das Personal, die es zu einem so inspirierenden Arbeitsplatz machen.

An jeden, der Korrektur gelesen oder meine Book-&-Bribe-Partys besucht hat, wo ich heimlich Freunde und Kollegen dazu gebracht habe, frühe Fassungen zu lesen, während ich Essen und Getränke servierte: Matt Bninski, Lee Carlson, Joanna Cohen, Stephen Delaporte, Russ de la Torre, Heather Dewey-Hagborg, Rob Faludi, Eric Forman, Michelle Kempner, Jenn King, Adam Lassy, Ben Leduc-Mills, Adi Marom, Gale Paulsen, Jennifer Pazdon, Lauren Schmidt, Greg Shakar, Ted Southern, Becky Stern, Mike Sudano, Corrie Van Sice, Dana Vinson, Irene Yachbes und all die anderen, die ich vergessen habe. (Und Dank an Tom für die Idee.)

An das Team bei McGraw-Hill, die geduldig waren und mir wirklich jede Frage beantworteten. Dank an meinen Agenten Neil Salkind, der diese Erstautorin von der ersten E-Mail an mit seinem Enthusiasmus forderte.

An Kickstarter.com und all unsere Gönner, die Ben Leduc-Mills und mir bei der Finanzierung des SADbot-Projekts halfen. Und Dank an Ben für die Idee und dass er mich da reingezogen hat – du wirst ein großer Informatiker werden.

Und schließlich an meine Partnerin Lorena für ihre unbedingte Liebe und Unterstützung. Ich werde nie eine so gute Schriftstellerin sein, dass ich mit Worten beschreiben könnte, wie viel du mir bedeutest.

Was dieses Buch ist

Während einer Unterhaltung mit Bre Pettis, einem der Entwickler der CupCake CNC von MakerBot Industries (www.makerbot.com), fragte ich, ob einer der Entwickler über eine formale Maschinenbau-Ausbildung verfügt. Er antwortete “Nein, und wenn, wäre es unmöglich gewesen.” Die CupCake CNC ist ein Miniatur-3D-Drucker, der aus Computermodellen reale 3D-Objekte aus geschmolzenem Kunststoff in der Größe eines Törtchens (engl. cupcake) erzeugt. Die MakerBot-Teammitglieder waren in der Lage, es aus den verfügbaren Materialien und vorhandenen Werkzeugen herzustellen. Ein ausgebildeter Maschinenbauer hätte gewusst, wie schwierig dieses Projekt ist und hätte es ohne die richtigen Ressourcen oder die nötige Finanzierung gar nicht erst probiert. Doch dem MakerBot-Team fehlte diese Erfahrung und sie wussten nicht, worauf sie sich da einließen. Sie behielten einfach nur ihr Ziel vor Augen und fanden einen Weg. Dieses Buch richtet sich an jeden, der sich bewegende Dinge bauen möchte, aber nur wenig (oder gar keine) formale Ingenieursausbildung hat. Tatsächlich könnte das, wie Bre es ausdrückte, sogar von Vorteil sein.

In diesem Buch werden Sie lernen, wie man erfolgreich Bewegungsmechanismen baut. Dazu nutzen wir nichttechnische Erklärungen, Beispiele und Do-it-yourself (DIY)-Projekte. Vielleicht sind Sie Bildhauer, der seiner Kunst Leben einhauchen möchte, Informatiker, der die Mechanik erforschen will, oder ein Produktdesigner, der eine Funktion hinzufügen möchte, um die Form eines Produkts zu ergänzen. Vielleicht haben Sie in der Vergangenheit Projekte angefangen, die sich dann aber in Wohlgefallen aufgelöst haben.

Oder vielleicht sind Sie nicht damit groß geworden, sich Dinge bewegen zu lassen, wollen es aber lernen. Die Studenten des Kurses, den ich an der New York University’s (NYU’s) Interactive Telecommunications Program (ITP) der New York University an der „Tisch School of the Arts“ halte, waren all das und lieferten die Inspiration zum Schreiben dieses Buches.

Der Kurs heißt „Mechanisms and Things That Move“ (Mechanismen und sich bewegende Dinge“) und wurde entwickelt, um die Lücke zwischen dem, was die Studenten bereits können (Grundlagen der Elektronik, Interaktionsdesign und vernetzte Objekte), und dem, was sie machen wollen (treppensteigende Kinderwagen, hölzernes mechanisches Spielzeug und stationäre, Fernseher antreibende Fahrräder), zu schließen. Das Ziel ist, mit ihren scheinbar unmöglichen Konzepten zu beginnen, etwas elementares Ingenieurs-Know-How einzubringen und am Ende etwas zu erhalten, was dem ursprünglichen Konzept überraschend nahe kommt. Sie finden diese (und weitere) Projekte auf der Kurs-Website unter http://itp.nyu.edu/mechanisms. Im ersten Jahr, in dem ich diesen Kurs hielt, erkannte ich, dass die praktische Erfahrung, die ich bei meiner Arbeit als Ingenieurin erworben habe, auch einem völlig anderen Kreis von Nicht-Ingenieuren zugute kommen kann. Ein Student sagte mir einmal “Ihr Kurs hat mir eine völlig neue Welt eröffnet”, und ein anderer sagte “Es ist unglaublich befriedigend, etwas zu entwerfen und zu bauen, was funktioniert.” Dieses Buch wurde konzipiert, um diesen Grad der Befriedigung allen Leuten zu geben, die etwas über Mechnismen lernen wollen, aber nicht wissen, wo sie anfangen sollen.

Es macht keinen Sinn, Schaltungen für ein elektromechanisches Projekt zu entwickeln, wenn die zu steuernde Mechanik zu schwach ist, um die Aufgabe zu erfüllen. Grundlegendes Wissen um Mechanik und Material kann Projekte vor kostspieligen Entwürfen schützen, die den Rahmen des Notwendigen sprengen. Um diese Konzepte vorzustellen, behandele ich ein breites Themenfeld, vom Anschluss von Kupplungen und Spindeln an Motoren bis hin zur Umwandlung von rotierender in lineare Bewegung. Sie werden mit Fotografien, Zeichnungen, Schaubildern und Darstellungen von 3D-Modellen der für jedes Projekt benötigten Komponenten und Systeme durch die einzelnen Kapitel geführt. Alle Illustrationen wurden von einem Zeichner (und Nicht-Ingenieur) angefertigt, um die mögliche Einschüchterung durch kompliziert klingende Konzepte und Schaubilder zu minimieren. Die daraus resultierende Interpretation der Konzepte springt ins Auge und kommt spielerisch und freundlich daher.

Ich verwende, wann immer möglich, Standardkomponenten, und die meisten Projekte nutzen vorhandene Metalle, Kunststoffe, Holz und Karton sowie verfügbare Fertigungstechniken. Einfache Projekte verteilen sich im gesamten Buch, um Sie zu ermuntern, das im jeweiligen Kapitel verwendete Material zu nutzen. Am Ende des Buches finden Sie komplexere Projekte, die Material aus mehreren Kapiteln umfassen. Ich garantiere Ihnen, dass Sie ein allgemeines Verständnis von Mechanismen erlangen und Geld, Zeit und Frustration sparen, indem Sie mechanische Entwurfsfehler vermeiden, die zu Fehlschlägen führen. Jeder kann Mechanismen entwerfen – selbst wenn man noch nie einen Fuß in einen Maschinensaal gesetzt hat.

Was dieses Buch nicht ist

Dieses Buch ist kein ingenieurwissenschaftliches Lehrbuch. Es setzt keinerlei Wissen um Elektronik oder Robotik voraus, und Sie müssen auch nicht wissen, was ein Microcontroller ist oder wie man ihn programmiert, um dieses Buch nutzen zu können. Ich erwarte nicht, dass Sie mit einem Eisenwarenladen in ihrer Garage aufgewachsen sind, wissen, was eine Drehbank ist, oder das Drehmoment eines Motors bestimmen können, wenn Sie sich eine rotierende Spindel ansehen.

Jedes Kapitel könnte zu einem eigenen Buch ausgeweitet werden und es gibt viele Orte, an denen man detaillierte technische Informationen findet. In diesem Buch geht es darum, Dinge zu „machen“, und es umfasst alle notwendigen Informationen, die eben dazu notwendig sind. Das bisschen Theorie und Hintergrundwissen hilft Ihnen dabei zu verstehen, wie Mechanik funktioniert, damit Sie eigene Kreationen aushecken und bauen können. Wenn Ihnen diese Abschnitte zu schwierig werden oder wenn Sie bereits über das Hintergrundwissen verfügen, springen Sie gleich zum praktischen Teil.

Wie man dieses Buch nutzt

Wie es der König dem Kaninchen in Alice im Wunderland sagte: “Begin at the beginning, and go on till you come to the end: then stop.” Wenn Sie wirklich keine Erfahrung darin haben, Dinge zu bauen, ist das wahrscheinlich der beste Ansatz für dieses Buch. Es wäre nur frustrierend, wenn Sie etwas über die Bestimmung des Drehmoments in Kapitel 6 lesen würden, ohne zu wissen, was das ist, weil Sie vorher die Diskussion in Kapitel 4 nicht gelesen haben. Gehen Sie die kleinen Projekte an, um sich mal die Hände schmutzig zu machen und sich daran zu gewöhnen, Dinge zu bauen. Die Kapitel sind so aufgebaut, dass sie wissen zu all den Bereichen vermitteln, die zum Bau beweglicher Dinge benötigt werden. Wenn Sie das Ende des Buches erreicht haben, finden Sie in Ihrem Werkzeugkasten all die Werkzeuge, die Sie benötigen, um die abschließenden Projekte in Kapitel 10 angehen zu können.

Jedes Projekt in diesem Buch besteht aus zwei Teilen: einer Einkaufsliste und einem Rezept. Ich habe gehört, dass Backen eher eine Wissenschaft und Kochen eher eine Kunst ist. Dinge sich bewegen zu lassen, erinnert zu Beginn ein wenig an das Backen. Sie wiegen jede Zutat genau ab, folgen den Anweisungen Schritt für Schritt und machen alles wie im Buch beschrieben. Doch sobald Sie sich daran gewöhnt haben, Dinge sich bewegen zu lassen, ähnelt es eher dem Kochen. Nachdem Sie die grundlegenden Rezepte hinter sich haben, können Sie damit beginnen, zu experimentieren und eigene Zutaten hinzuzufügen.

Sie können dieses Buch auch als Referenzhandbuch nutzen, insbesondere dann, wenn Sie theoretisch wissen, wie die Dinge funktionieren, und eine praktische Anleitung suchen, um Dinge sich bewegen zu lassen. An diesem Punkt befand ich mich nach meinem Grundstudium. Ich konnte das Drehmoment oder die Kraft bestimmen, die ich benötigen würde, um Dinge bewegen zu können, doch ich wusste nicht, wie man einen Motor auswählt oder etwas an seine Welle anschließt. Solche Dinge werden einem in der Schule nicht beigebracht (zumindest nicht dort, wo ich war), also muss man es durch Praxis herausfinden. Ich hoffe, dass Ihnen dieses Buch einen Einstieg auf einer höheren Ebene erlaubt, als das bei mir der Fall war.

Ihre Ideen sind ihr größtes Plus

Auch wenn in diesem Buch nur sehr wenig Wissen über Mechanik vorausgesetzt wird, hilft Ihnen alles, was Sie wissen, weiter, und ich meine wirklich alles.

Das Wichtigste, was Sie mitbringen, ist eine Idee. Einige der schönsten Projekte, die ich gesehen haben, stammen von Leuten, die keinerlei Erfahrung mit Selbstbauprojekten hatten und erst recht keinen Ingenieursabschluss. Wenn Sie als leidenschaftlicher Musiker die Idee für eine sich selbst spielende Gitarre haben, wird Ihr Projekt sehr wahrscheinlich erfolgreicher sein, als wenn Sie ein Ingenieur sind, der zu wissen glaubt, wie eine Gitarre funktioniert, selbst aber noch nie eine gespielt hat. Dieses Buch gibt Ihnen die Werkzeuge an die Hand, um Ihre Leidenschaft in Projekte und Ihre Ideen in die Realität umzusetzen. Die Werkzeuge sind da, zusammen mit Beispielen für ihren Einsatz, doch die Ideen für ihre Verwendung kommen von Ihnen.

Ich betrachte mich nicht als Künstler. Meine rechte Gehirnhälfte ist nicht annähernd so entwickelt wie die der meisten Studenten und Designer, mit denen ich zusammengearbeitet habe. Dennoch behaupte ich zu wissen, wie man Nicht-Ingenieure durch den Prozess leitet, sich bewegende Dinge zu bauen. Sie können dieses Buch als leichte Lektüre betrachten, um an einem Samstagabend etwas Zeit totzuschlagen, doch ich setze darauf, dass dieses Buch Ihnen die Werkzeuge und Techniken liefert, die Sie brauchen, um aus Ihrer Idee eines von Menschenkraft angetriebenen Küchenmixers in ihrem Kopf Realität werden zu lassen.

Das Buch enthält viele Projekte, die Sie selbst bauen können, doch die Anwendung der Konzepte und Fähigkeiten ist nur durch Ihre Fantasie beschränkt. Mechanik kann auf den ersten Blick furchteinflößend sein, doch sobald Sie ein kompliziertes Projekt in seine Einzelteile zerlegt haben, werden Sie schnell erkennen, dass das alles gar nicht so schlimm ist. Dieses Buch befähigt Sie dazu. Und je mehr Sie lernen, umso mehr Inspirationen für zukünftige Projekte werden kommen.

Was Sie wissen müssen

Zwar benötigen Sie keine (herstellungs-)technischen Kenntnisse, doch ein paar Dinge sollten Sie wissen, um aus diesem Buch das Optimum für sich herauszuholen. Mit am wichtigsten ist das Wissen um die Verwendung des Internets, wofür es mindestens drei Gründe gibt.

Wenn es um Mechanik und damit verwandte Dinge geht, haben wir eine gute Basis. Von der Instructables-Website (www.instructables.com) bis zu Leonardo Da Vincis ersten mechanischen Skizzen finden wir online sehr viel Inspiration für Projektideen und können von ähnlichen Ideen lernen. Das Ziel dieses Buches besteht darin, Projekte fertigzustellen, und nicht darin, alles über ein Thema zu lernen, bevor man loslegt. Wollen Sie rotierende in lineare Bewegungen umwandeln? Stellen Sie sich vor, Sie sind nicht der Erste, der das will. Nutzen Sie die Vorteile der in diesem Buch erläuterten Grundlagen und die vielen Websites, die Beispiele für die Umwandlung rotierender in lineare Bewegung zeigen, um den Mechanismus zu inspieren, den Sie zur Realisierung Ihres Projekts brauchen. Borgen Sie sich die Idee aus und passen Sie sie an Ihre Bedürfnisse an. Doch vergessen Sie nicht: Ehre, wem Ehre gebührt. Wie es Aiden Lawrence Onn und Gary Alexander in ihrem Buch Cabaret Mechanical Movement: Understanding Movement and Making Automata (London: G&B Litho Limited, 1998) ausdrücken: “Wenn sich Dinge bewegen sollen, sollten Sie einige Zeit damit verbringen, zu studieren, wie sich andere Dinge bewegen.”

Dinge herzustellen verlangt Teile und Werkzeuge. Sehr wahrscheinlich werden Sie einen Teil dieser Dinge online bestellen müssen. Zwar kann man mit Kartons und Strohhalmen einiges anstellen, doch möglicherweise gibt es bei Ihnen keinen Laden, der Gleichstrommotoren mit Getriebekopf für unsere Nicht-faule-Susanne (Projekt 10–1 in Kapitel 10) verkauft. Glücklicherweise können Sie, egal wo Sie sind, Teile und Werkzeuge online kaufen. Für die meisten Dinge bekommen Sie sogar bessere Preise – ob Handbohrmaschinen oder Krokodilklemmen – als in Ihrem lokalen Baumarkt. Amerikanische Ressourcen werden für jedes Projekt aufgeführt, doch einige, die ich häufig nennen werde, sind McMaster-Carr (www.mcmaster.com), SparkFun (www.sparkfun.com) und All Electronics (www.allelectronics.com). Sie können praktisch alle benötigten Bauteile im deutschsprachigen Raum bei Conrad (www.conrad.de) oder Watterott electronic (www.watterott.com/) oder Reichelt electronic (www.reichelt.de) bestellen. Im Einzelfall kann es sein, dass die Bauteile nicht in Europa erhältlich oder vorrätig sind. Sie finden dann aber bauähnliche Teile im Internet.

Zu diesem Buch gibt es eine (englischsprachige) Website: www.makingthingsmove.com. Farbfotos und Videos, die nicht in das Buch aufgenommen werden konnten, sind dort zu finden. Sie finden dort auch einen Blog und weitere Ressourcen. Durch den Erwerb dieses Buches sind Sie Teil einer „Macher“-Subkultur geworden, die größer ist, als Sie vielleicht ahnen. Die makingthingsmove.com-Website hilft Ihnen dabei, Verbindung mit denjenigen herzustellen, die ähnliche Interessen haben. Links zu digitalen Dateien zum Download, Bau und Kauf werden dort gepostet. Sie können auch auf Thingiverse (www.thingiverse.com), Ponoko (www.ponko.com) oder Shapeways (www.shapeways.com) nach „dustynrobots“ suchen, um eine vollständige Liste all meiner Postings zu erhalten.

Außer dass Sie wissen, wie man mit dem Internet umgeht, erwarte ich auch grundlegendes Wissen zu Geometrie, Trigonometrie und einfacher Algebra. Wenn Sie das ? in der Gleichung 2 × ? = 6 ersetzen können und wissen, was Sinus, Cosinus und Tangens sind, können Sie sich entspannen – komplizierter wird es in diesem Buch nicht werden. Sie müssen wissen, was Wörter wie Durchmesser, Umfang, Tangente und Senkrechte bedeuten. Falls Ihr Wissen in diesem Bereich ein wenig eingerostet ist, suchen Sie kurz im Internet und frischen Sie Ihr Wissen auf.

Was Sie haben müssen

Zu jedem Projekt in diesem Buch gibt es eine Einkaufsliste mit Teilen und Werkzeugen, aus der Sie sich raussuchen können, was Sie brauchen. Doch wenn Sie vorbereitet sein wollen, finden Sie nachfolgend eine Liste gängiger Werkzeuge, die Ihnen gute Dienste leisten werden (siehe Abbildung 1):

Handbohrmaschine. Damit werden Sie während des Aufbaus Löcher für Schrauben und Dübel in Holz und dünnes Metall bohren. Ich bevorzuge die kabellose, akkubetriebene Variante wie das abgebildete Dewalt-Modell, doch jede Bohrmaschine erfüllt ihren Zweck. Stellen Sie sicher, das auch kleine Bohrer (bis zu 1/16 Zoll) verwendet werden können. Ein Drehmel Multifunktionswerkzeug tut es bei vielen kleinen Aufgaben auch und kann auch zum Schneiden und Schleifen kleiner Teile verwendet werden.

Multimeter. Den nutzen Sie immer dann, wenn Sie mit Elektrizität arbeiten, etwa um zu prüfen, ob eine Batterie leer oder ob ihr Schaltkreis korrekt verdrahtet ist. Ihr Multimeter sollte Spannung, Widerstand, Stromstärke und Durchgang messen können. Tuen Sie sich selbst einen Gefallen und kaufen Sie ein Modell mit automatischer Messbereichswahl. Dann müssen Sie den zu messenden Wert nicht vorher abschätzen, um die richtige Einstellung zu wählen. Die automatische Messbereichswahl ist etwas teurer, spart aber Zeit und Frustrationen, wenn man in der Elektronik nicht besonders bewandert ist. In Abbildung 1 sehen Sie SparkFuns TOL-08657. Er besitzt eine automatische Messbereichswahl und kann höhere Ströme messen als die günstigeren Modelle, was einem bei der Arbeit mit Motoren zugute kommt. Ein einfacher Lötkolben (auf dem Bild ein RadioShack 64-280) und eine Abisolierzange (SparkFun TOL-08696) sind hilfreich, wenn Sie mit der Arbeit an Schaltkreisen beginnen.

Messinstrumente. Ein Maßband für lange Dinge, ein Lineal aus Metall für kleine Dinge und als Schneidkante sowie eine Schieblehre für noch kleinere Dinge. Ich empfehle der einfachen Verwendung halber eine digitale Schieblehre (SparkFun TOL-00067).

Schraubendreher. Für Kreuz- und Schlitzschrauben. Verschiedene Größen zur Hand zu haben, ist eine gute Idee. Billige Schraubendreher bestehen aus weichem Metall und die Spitzen verbiegen sehr schnell. Kaufen Sie daher nicht die billigen Schnäppchenangebote.

Multitool. Auch Schweizer Armeemesser oder Leatherman genannt. Multitool ist der allgemeine Begriff. Praktisch, wenn es zur Hand ist, kann es einem den Kauf vieler separater Werkzeuge ersparen, wenn man kleinere Aufgaben erledigen muss. Multitools gibt es in verschiedenen Formen, Größen und Preisen, doch ich empfehle einen mit Schraubendrehern, Schere, Feile, Messer und einem Sägeblatt. Ich besaß jahrelang einen Leatherman Blast und mit seinem Preis von ca. 49 € hat er sich seinen Platz in meinem Werkzeugkasten mehr als einmal verdient. Leatherman-Modelle finden Sie unter http://www.leatherman.de/produkte/oview_multifunktionstools.php. Schweizer Armeemesser finden Sie auf www.swissarmy.com/multitools in der Kategorie Swiss Tools. Bei besonders frustrierenden Projekten sollten Sie ein Multitool mit Korkenzieher und/oder Flaschenöffner wählen.

Klebeband und WD-40. „Wenn es sich bewegt und sich nicht bewegen sollte, verwenden Sie Klebeband. Wenn es sich nicht bewegt und sich bewegen sollte, verwenden Sie WD-40.” Ich bin nicht sicher, wo ich das zum ersten Mal gehört habe, doch es könnte während meines ersten Praktikums auf einem Kalenderblatt meines Chefs gestanden haben. Der Kalender hieß „365 Tage mit Klebeband”. Die meisten Leser werden das silberne Klebeband (Panzerband) kennen, das man für so ziemlich alles verwenden kann. WD-40 ist bei quietschenden Gelenken, Getrieben und anderen beweglichen Teilen ebenso praktisch.

Das Wichtigste, was es zu besitzen gilt, ist allerdings kein Werkzeug. Es ist die Verpflichtung zur Sicherheit. Bohren Sie kein Loch für die Montage eines Motors, ohne eine Schutzbrille zu tragen, und bohren Sie nicht einfach auf dem Küchentisch ein Loch in ein Stück Holz. Das endet sehr wahrscheinlich mit Sägemehl in Ihrem Auge und einem Loch, das es mit einem strategisch platzierten Tischset zu verstecken gilt. Tragen Sie Handschuhe, wenn Sie mit scharfen Dingen oder rauen Kanten hantieren, die Sie schneiden oder Splitter hinterlassen könnten. Ich werde Sicherheitsaspekte bei jedem Projekt ansprechen, doch Sie sollten es sich angewöhnen, jede Handlung auf mögliche Gefahren zu untersuchen und diese im Vorfeld beseitigen. Schnitte und Kratzer verheilen zwar, doch das Gehör kommt nur schlecht zurück, wenn man zu lange mit einer lauten Bohrmaschine gearbeitet hat. Und auch die Sehkraft lässt sich nur schwer wiederherstellen, nachdem das Schneidrad des Dremels sich in einem unglücklichen Winkel verabschiedet hat. Sie sollten zumindest eine Schutzbrille und ein paar Ohrstöpsel rumliegen haben und benutzen. Sicherheitsvorkehrungen sollten immer der erste Schritt bei jedem Ihrer Projekte sein.

Was Sie über die deutsche Übersetzung wissen müssen

Wir haben das Buch nach besten Wissen ins Deutsche übertragen. Manchmal waren dabei sehr spezielle Fachbegriffe zu übersetzen, die im Deutschen mehrere Bedeutungen besitzen. Im Zweifelsfall haben wir auf eine Übertragung ins Deutsche verzichten, wenn der Begriff nicht eindeutig war. Ebenso haben wir Maßangaben nicht in europäische Maße umgerechnet, wenn die Maße lediglich erläuternden Charakter besaßen. Wir haben auf die Angabe von detaillierten Bezugsquellen in Deutschland verzichtet, weil zum Teil die exakten Bauteile nicht in Deutschland beziehbar sind. Anhand der angegebenen Originalbezugsquellen können jedoch in praktisch allen Fällen passende Bezugsquellen in Deutschland selbst ausfindig gemacht werden.

Kapitel 1. Einführung in Mechanismen und Maschinen

Mechanische Systeme kommen in vielerlei Formen daher und es gibt die unterschiedlichsten Definitionen. Bevor wir damit beginnen können, Maschinen zu bauen, müssen wir wissen, worüber wir reden:

Ein Mechanismus ist eine Anordnung beweglicher Teile.

Eine Maschine ist jedes Gerät, das Ihnen bei der Arbeit hilft, vom Hammer bis zum Fahrrad. Ein Hammer ist eine Maschine, da er Ihren Arm verlängert und so Ihre Arbeit unterstützt.

In diesem Buch verwenden wir die mechanische Definition von Arbeit:

Arbeit = Kraft × Weg

Die Kraft (F) entspricht der Masse (m) mal Beschleunigung (a). Das schreibt man auch F = ma (was als zweites Newtonsches Gesetz bekannt ist).

Nehmen wir beispielsweise an, dass Sie mit Ihren Füßen Trauben zerstampfen, um Wein herzustellen. Wenn Sie stillstehen, entspricht die von den Trauben gefühlte Kraft Ihrem Gewicht. Doch wenn Sie stampfen, entspricht die Kraft Ihrem Gewicht plus der Beschleunigung, die Ihre Muskeln Ihren Füßen verleihen. Die Trauben würden eine geringere Kraft spüren, wenn Sie sie auf dem Mond zerstampfen würden, der nur ein Sechstel der Erdanziehung aufweist. Masse steht für die Menge an Material, aus dem Sie bestehen und die sich nicht verändert. Gravitation und Beschleunigung hängen davon ab, wo Sie sind und was Sie tun. Masse ist also das Material und Gewicht ist die Kraft, die die Masse ausübt.

Sechs einfache Maschinen

Die vier Haupteinsatzgebiete für Maschinen sind:

Energie transformieren. Eine Windmühle transformiert die Energie des Windes in mechanische Energie, um Korn zu mahlen oder Ihr Haus mit Strom zu versorgen.

Energie transferieren. Die beiden Zahnräder eines Dosenöffners transferieren die Energie Ihrer Hand auf die Kante der Dose.

Verstärkung und/oder Richtungsänderung einer Kraft. Mit einem Flaschenzug können Sie eine schwere Kiste mit deutlich weniger Mühe heben, als das ohne dieses Hilfsmittel möglich wäre.

Erhöhung der Geschwindigkeit. Die Zahnräder eines Fahrrads erlauben es dem Fahrer, mit zusätzlichem Krafteinsatz die Geschwindigkeit zu erhöhen oder (auf Kosten der Geschwindigkeit) entspannt in die Pedale zu treten.

Es zeigt sich, dass alle komplizierten Maschinen nur Kombinationen aus sechs klassischen und einfachen Maschinen sind: Hebel, Flaschenzug, Rad und Achse, schiefe Ebene, Schraube und Getriebe. Diese Maschinen finden sich überall um uns herum, wenn man einmal weiß, wonach man suchen muss.

Hebel

Sie können den Hebel als Maschine mit nur einem Mechanismus betrachten. Er ist nach unserer Definition ein Mechanismus, da er bewegliche Teile aufweist. Er ist eine Maschine, da er uns bei der Arbeit hilft.

Ein Hebel ist ein starres Objekt, das einen Drehpunkt (oder Angelpunkt) nutzt, um die auf ein Objekt wirkende mechanische Kraft zu erhöhen. Es gibt drei Arten von Hebeln. Jede besteht aus drei Komponenten, die auf unterschiedliche Art angeordnet sind:

Dreh- oder Angelpunkt

Eingabe (Aufwand oder Kraft)

Ausgabe (Last oder Widerstand)

Einfacher Hebel

Bei einem einfachen Heben liegt der Drehpunkt zwischen Ein- und Ausgabe. Das ist die klassische Wippe (siehe Abbildung 1.1), an die die meisten Leute denken, wenn Sie das Wort Hebel hören.

Abbildung 1.1 Die klassische Wippe als Beispiel für einen einfachen Hebel.

Das Ausbalancieren ist bei einer Wippe auf drei Arten möglich:

Zwei Dinge wiegen genau gleich viel und sind genau gleich weit vom Drehpunkt entfernt (so wie in Abbildung 1.1).

Sie können auf einer Seite mit einer Kraft nach unten drücken, die dem Gewicht auf der anderen Seite entspricht. Als Sie noch ein Kind waren, haben Ihre Eltern das auf der Wippe mit Ihnen gemacht.

Haben zwei Dinge unterschiedliche Gewichte, muss das leichtere weiter vom Drehpunkt entfernt sein, um die Balance herzustellen. Wenn Sie jemals mit jemandem auf einer Wippe gesessen haben, der schwerer war als Sie, haben Sie das wahrscheinlich getan, ohne groß darüber nachzudenken. Wenn Sie der leichtere waren, sind Sie so weit wie möglich zum Rand der Wippe gerückt, während Ihr Freund näher an den Drehpunkt herangerückt ist.

Um diese Balance-Regeln auf Maschinen anzuwenden, wollen wir das Wort „Ding“ durch „Kraft“ ersetzen. Doch zuerst lernen wir Fido und Fluffy kennen.

Abbildung 1.2 Ausbalancierter einfacher Hebel mit unterschiedlichen Kräften

Fido ist ein großer Hund. Fluffy ist eine kleine Katze. Weil beide Namen mit F beginnen, verwende ich als Abkürzung F₁ für Fido und F₂ für Fluffy. Fido ist schwerer, weshalb sein Pfeil (F₁) auf der linken Seite in Abbildung 1.2 dicker ist. Er sitzt in einer gewissen Entfernung (d₁) vom Drehpunkt entfernt. Fluffy (F₂) sitzt hingegen im Abstand d₂ vom Drehpunkt auf der rechten Seite. Um die Wippe auszubalancieren, muss F₁ mal d₁ gleich F₂ mal d₂ sein:

F₁ × d1 = F₂ × d₂

Sie erkennen in Abbildung 1.2 und der Gleichung, dass wenn F₁ = F₂ und d₁ = d₂, die Wippe wie in Abbildung 1.1 aussieht und ausbalanciert ist. Ist Fido (F₁) aber ein 50-Kilo-Hund (kg) und Fluffy (F₂) eine 10-Kilo-Katze, dann müssen Sie ihre Abstände vom Drehpunkt korrigieren, damit die Wippe ausbalanciert bleibt. Nehmen wir an, dass Fido 3 Meter (m) vom Drehpunkt (d₁ = 3 m) entfernt sitzt. Wie weit weg vom Drehpunkt muss Fluffy sitzen, damit die Wippe im Gleichgewicht bleibt? Unsere Gleichung sieht nun wie folgt aus:

50 kg × 3 m = 10 kg × d₂

Um die Gleichung (und die Wippe) auszugleichen, muss d₂ bei 15 m liegen. Zwar haben Fido und Fluffy uns geholfen, den wesentlichen Punkt zu verdeutlichen, doch die Kräfte F₁ und F₂ können alles sein – Kisten, Vögel, Gebäude ... suchen Sie sich etwas aus.

Die leichtere Katze kann also das fünffache Gewicht des Hundes ausgleichen, indem Sie sich einfach weiter nach hinten setzt. Sie werden bemerken, dass Fluffy beim Wippen mit Fido höher kommt, weil sie weiter weg vom Drehpunkt sitzt. Ich nenne die Distanz vom Grund bis zu Fluffys höchstem Punkt den Hub (siehe Abbildung 1.3).

Die leichte Katze kann also den schweren Hund heben, aber der Hub muss dafür höher sein. Auf diese Weise bieten uns Hebel einen mechanischen Vorteil, nämlich eine Übersetzung: Eine kleine Kraft, die sich über eine längere Distanz bewegt, kann eine größere Kraft über eine kürzere Strecke ausgleichen. Wir können auch sagen, dass die leichtere Katze eine 5:1-Übersetzung nutzt, um den schweren Hund zu heben, indem sie vom Drehpunkt fünfmal so weit weg sitzt. In unserem Beispiel ist der Hub der leichten Katze Fluffy (F₂) fünfmal so hoch wie der des schweren Hundes Fido (F₁).

Abbildung 1.3 Hebel nutzen Übersetzungen, um Kräfte auszugleichen.

Es gibt viele Orte, an denen man Hebel jeden Tag sieht. Ein Tischlerhammer dient als einfacher Hebel, wenn man Nägel aus einem Brett zieht (siehe Abbildung 1.4). Sie ziehen mit wenig Kraft am Ende des Hammers, und eine große Kraft zieht den Nagel aus dem Brett, der nur ein kurzes Stück vom Kopf entfernt ist. Der Kopf bildet dabei den Drehpunkt.

Hier weitere Beispiele für Hebel:

Eine Brechstange ist ein einfacher Hebel, ähnlich dem Tischlerhammer.

Die Ruder eines Bootes arbeiten als Hebel.

Wenn Sie schon mal einen Schraubenzieher genutzt haben, um den Deckel von einem Eimer Farbe zu entfernen, dann haben Sie den Schraubenzieher als einfachen Hebel genutzt.

Ein Scherenpaar bildet einen einfachen Hebel. Papierscheren bieten keine große Übersetzung, doch denken Sie an die langen Griffe von Gartenscheren oder Bolzenschneidern. Die langen Griffe erhöhen die Schneidekraft ganz erheblich – da greift Übersetzung!

Fallen Ihnen weitere einfache Hebel ein?

Abbildung 1.4 Ein als Hebel verwendeter Hammer

Hebel zweiten Grades

Bei einem Hebel zweiten Grades liegt die Ausgabe zwischen der Eingabe und dem Drehpunkt. Ein klassisches Beispiel ist die Schubkarre. Wie Sie in Abbildung 1.5 sehen, ist das Material in der Schubkarre die Ausgabe (oder Last), und wir nutzen die Griffe als Eingabe.

Wir können die Gleichung für einfache Hebel auch nutzen, um den Ausgleich der Kräfte zu berechnen. Nehmen wir an, unsere Last besteht aus 50 kg Goldbarren (F₂) in der Schubkarre und die Entfernung vom Gold zum Rad beträgt 0,2 Meter (d₂). Wenn die Griffe einen Meter vom Rad (d₁) weg sind, wie viel Kraft müssen wir dann aufwenden, um die Goldbarren heben zu können? Tragen wir die bekannten Daten in die Gleichung ein:

Abbildung 1.5 Die Schubkarre als Hebel zweiten Grades

F₁ × 1m = 50 kg × 0,2 m

Um also die Goldbarren heben zu können, müssen wir die Griffe mit einer Kraft von mindestens 10 kg (F₁) anheben. Wir müssen also nur eine Kraft von 10 kg aufwenden, um 50 kg Goldbarren zu bewegen. Wieder eine Übersetzung von 5:1 – genau wie bei Fido und Fluffy auf der Wippe.

Ein anderer Haushaltsartikel, der einen Hebel zweiten Grades, nutzt ist der Flaschenöffner. In Abbildung 1.6 sehen Sie die Eingabe, den Drehpunkt und die Ausgabe. Der Griff des Flaschenöffners legt einen recht großen Weg zurück, um den Kronkorken zu entfernen, doch die Kraft am Kronkorken selbst ist relativ hoch. Ein Nussknacker ist ein weiteres Beispiel für einen Hebel zweiten Grades. Fallen Ihnen weitere Hebel zweiten Grades ein?

Abbildung 1.6 Ein Flaschenöffner als Hebel zweiten Grades

Hebel ersten und zweiten Grades sind Kraftverstärker, haben also eine gute Übersetzung. Der Nachteil ist in beiden Fällen, dass die Eingabe, der Aufwand, einen größeren Weg zurücklegen muss als die Ausgabe (Last).

Hebel dritten Grades

Bei Hebeln dritten Grades erfolgt die Eingabe zwischen Drehpunkt und Ausgabe, wie in Abbildung 1.7 zu sehen. Man nennt das Kraftminderer.

Abbildung 1.7 Eine Leiter als Hebel dritten Grades

Warum sollte man eine Maschine wollen, die die Kraft reduziert? Meistens wird diese Anordnung genutzt, wenn sie die einzige Möglichkeit ist, etwas zu heben oder zu bewegen, etwa bei Platzmangel oder aufgrund anderer Beschränkungen. Zwar wird eine höhere Kraft als Eingabe benötigt, doch der Vorteil eines Hebels dritten Grades besteht darin, dass sich die Ausgabe schneller und weiter bewegt als die Eingabe.

Ihr Arm ist ein gutes Beispiel für einen Hebel dritten Grades. Wie Sie in Abbildung 1.8 sehen können, ist Ihr Bizeps zwischen dem Oberarm in der Nähe der Schulter und mit dem Unterarm direkt hinter dem Ellenbogen verbunden. Ihr Bizeps muss selbst bei einem kleinen Gewicht in Ihrer Hand hart arbeiten, kann das Gewicht dann aber über eine lange Strecke bewegen, weil es weit vom Drehpunkt am Ellenbogen entfernt ist. Ein dreischenkliger Arm, bei dem der Bizeps nahe des Handgelenks befestigt ist, wäre effektiver, hätte aber einen stark eingeschränkten Bewegungsradius. Angeln und Pinzetten sind ebenfalls Hebel dritten Grades.

Abbildung 1.8 Ihr Arm als Hebel dritten Grades

Sie können Hebel in Gelenke verbinden, auf die wir in Kapitel 8 genauer eingehen. Fürs Erste können Sie sich das Projekt einiger ehemaliger Studenten in Abbildung 1.9 ansehen. Die beiden Gewichte werden durch Hebel ersten, zweiten und dritten Grades ausbalanciert. Die Drehpunkte sind eingekreist. Wissen Sie, welcher welcher ist? (Ihre Antwort können Sie auf http://itp.nyu.edu/~laf333/itp_blog/2007/03/lever_madness.html überprüfen.)

Abbildung 1.9 Lever Madness (von Lesley Flanigan und Rob Faludi)

Rollen

Eine Rolle, auch Laufrolle, Kloben (Kloben und Hebezug) oder Walze genannt, ist im Wesentlich ein Rad mit einer Rille für ein Seil oder einen Riemen. Sie bildet eine weitere einfache Maschine, die wir nutzen können, um in einem mechanischen System eine Übersetzung zu erreichen. Es gibt zwei Arten von Rollen-Systemen: geschlossen und offen.

Geschlossene Systeme

Ich bezeichne ein Rollensystem mit einem stets gespannten Seil oder Riemen als geschlossenes System. Ein typisches Beispiel ist der Zahnriemen eines Autos, wie in zu sehen. Zahnriemen nutzen Rollen mit kleinen Zähnen, die sich mit passenden Zähnen auf dem Riemen verzahnen. Der Motor kann den Riemen so ohne durchzurutschen antreiben, weil Riemen und Rolle sich ineinander verzahnen.

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