Reibungsarbeit

Reibungskraft, die abbremst

Wenn wir mit dem Fahrrad unterwegs sind und wir aber vor dem nächsten Rotlicht abbremsen müssen, tun wir das mit Reibungsarbeit.

Vor dem Bremsvorgang haben wir kinetische Energie. Am Rotlicht, wo wir still stehen, haben wir keine kinetische Energie mehr, d.h. diese Energie muss irgendwie weggeführt worden sein.

Beim Bremsvorgang wirkt die Reibungskraft über einen bestimmten Weg. Das Fahrrad verrichtet damit Reibungsarbeit bzw. gibt Energie ab:

\[ W = F \cdot \Delta s \]

Die kinetische Energie vom Fahrrad wird durch die Reibungsarbeit in thermische Energie umgewandelt. Die Bremsklötze erwärmen sich und geben dann Wärme an die Umgebung ab.

Mit Reibung werden wir eigentlich fast immer abgebremst, entweder gewollt oder ungewollt.

Weil die Reibungskraft entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung zeigt, haben wir eine negative physikalische Arbeit, d.h. Energie wird abgegeben:

\[ W < 0 \]

Beim Fahrrad leisten wir dauernd Reibungsarbeit, weil wir überall ungewollte Reibung haben, in den Radlagern, zwischen Kette und Zahnrad, im Reifen drin und durch den Luftwiderstand etc. Wenn wir einfach rollen lassen, wird das Fahrrad durch die Reibungsarbeit immer langsamer. Die vorhandene kinetische Energie wird durch Reibungsarbeit abgebaut. 🚲

Beachte, dass im oben beschriebenen Beispiel die Reibungsarbeit auch als eine Beschleunigungsarbeit betrachtet werden kann, denn durch die Arbeit wird die Geschwindigkeit verringert. Das ist kein Widerspruch, sondern es sind zwei Bezeichnungen für die gleiche Sache. Die eine Bezeichnung orientiert sich an der Reibungskraft, die andere Bezeichnung orientiert sich am Effekt auf die Geschwindigkeit.

Reibungskraft, die beschleunigt

Reibungsarbeit kann auch beschleunigen! In den meisten Fällen beschleunigen wir mit Hilfe von Haftreibung, sei es beim Gehen oder beim Fahren mit irgendeinem Fahrzeug. Grundsätzlich ist es auch denkbar, durchdrehenden Reifen und viel Rauch und Qualm mit Gleitreibung zu beschleunigen. Weil der Gleitreibungskoeffizient meistens um Faktoren kleiner ist als der Haftreibungskoeffizient, ist diese Methode aber nicht sehr effektiv. 💨

Die Richtung der Reibungskraft ist beim Beschleunigen nach vorne, in Bewegungsrichtung, d.h. wir erhalten eine positive physikalische Arbeit:

\[ W > 0 \]

Wir schauen uns diesen Fall am Beispiel des Motorrads an.

Um die Richtung der Reibungskraft zu verstehen, sollten wir an Newtons Drittes Gesetz denken. Wenn das Motorrad Gas gibt, drückt es den Boden nach hinten. Da das Motorrad mit dem Boden Haftreibung hat, kann der antreibende Reifen nicht durchdrehen. Er bleibt mit dem Boden haften und der Berührungspunkt bleibt eigentlich in Ruhe.

Durch die Wirkung des Motorrads auf den Boden nach hinten, erhalten wir gemäss Newton eine gleich starke, aber genau entgegen gesetzte Wirkung des Bodens auf das Motorrad (Aktion = Reaktion). Diese Wirkung des Bodens auf das Motorrad ist nach vorne gerichtet. Es ist auch eine Reibungskraft. Sie ist es, die die positive Reibungsarbeit bzw. Beschleunigungsarbeit bewirkt.