Reibungskraft
Reibungskraft, Image by C D-X, shared on Unsplash

Reibung kommt in unserem Alltag überall vor und wird in drei Arten eingeteilt: Gleitreibung, für zwei Flächen die sich reiben, Rollreibung  für die Reibung beim Abrollen auf einer Fläche und Haftreibung für die Reibungskraft beim Kontakt zwischen zwei Flächen.

Allen drei Arten ist gemeinsam, dass die aus der Reibung abgeleitete Reibungskraft sich stets einer Bewegung entgegensetzt (Richtung der Reibungskraft) und dass der Betrag der Reibungskraft vom Betrag der Normalkraft abhängig ist.

Reibung ist in vielen Fällen unerwünscht, da wegen ihr ein Teil der eingesetzten Energie in unnütze Wärme umgewandelt wird. In diesen Fällen wird sie möglichst klein gehalten durch

  • Rollen statt Gleiten (Rollreibung ist günstiger als Gleitreibung)
  • Verringerung der Normalkraft
  • Reduktion des Reibungskoeffizienten (Materialwahl, Schmierung, Härte des Materials bei Rollreibung etc.)

In vielen Fällen ist Reibung erwünscht, z.B. brauchen wir Haftreibung für unsere Fortbewegung (Gehen, Fahren) oder wir nutzen die Reibung für die Befestigung (Nagel, Schraube, Klemme). Sie lässt sich verstärken durch

  • Raues Material
  • Noppen, Rillen z.B. auf einer rutschfreien Unterlage

Modellvorstellung

Oberflächen sind meistens rau. Wenn zwei rau Oberflächen aneinander reiben, entsteht sog. Gleitreibung. Es braucht auch eine gewisse Kraft, um die beiden Oberflächen relativ zueinander zu bewegen. Mit der Zeit können die beiden Flächen warm werden.

Die Rauheit können wir uns als Unebenheit der Fläche vorstellen. Die “Zacken” oder “Berge” ragen heraus und kollidieren mit den “Zacken” bzw. “Bergen” der anderen Oberfläche. Ein Bewegen ist nur möglich, wenn die “Zacken” sich verformen und sich so schliesslich einander aus dem Weg gehen. Das Verformen von Material ist nur mit einer [[kraft|Kraft]] möglich. Bei dauerhafter Verformung wird sogar mechanische Arbeit in Wärme umgewandelt.

Reibungskraft (mikroskopisch)
Reibungskraft ist mikroskopisch gesehen, die Summe vieler kleiner Normalkräfte, zweier aufeinander treffender Materialvorsprünge

Wenn wir eine Flüssigkeit zwischen die beiden Oberflächen einbringen, kann sie den Abstand zwischen den “Zacken” erhöhen, so dass sie sich nicht mehr direkt im Wege stehen. Die Flüssigkeit kann den Zacken ausweichen und die beiden Flächen können sich jetzt viel leichter relativ zueinander bewegen. Eine solche Flüssigkeit nennen wir Schmierflüssigkeit. In Maschinen und Getrieben ist es Öl oder Fett.

Reduktion der Reibungskraft durch Schmiermittel (mikroskopisch)
Durch den Einsatz eines Schmiermittels werden die beiden Flächen voneinander getrennt. Das Schmiermittel kann den Materialvorsprüngen ausweichen.

Reibung generell

Wenn wir Möbel verschieben, braucht es manchmal ganz schön viel Kraft, bis sie sich endlich bewegen. Sobald wir aufhören zu drücken, bleiben sie wieder stehen. Die Kraft, die sich einer Bewegung wiedersetzt oder auch die kleinste Bewegung sofort wieder stoppt, ist die Reibungskraft.

Wir drücken auf den Klotz mit der Kraft $F$ (orange). Die Reibungskraft $F_R$ (grau) wirkt der Bewegung entgegen.

Die Normalkraft wird von der Gewichtskraft kompensiert, so dass beide Kräfte sich aufheben. Sie haben aber nur scheinbar nichts mit der Reibung und der horizontalen Richtung zu tun. Es gibt nämlich, bei allen Formen der Reibungskraft, eine Abhängigkeit der Reibungskraft von der Normalkraft: Je stärker die beiden Flächen zusammengedrückt werden, desto grösser ist die Reibungskraft.

Drei Arten von Reibungskraft

Gleitreibung

Gleitreibung
Bei der Gleitreibung gleiten zwei Oberflächen gegen einander, wie die Skier und die Schneeunterlage.
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Bei der Gleitreibung reiben die beiden Flächen aufeinander. Sie bewegen sich relativ zueinander. Beispiele: Die Fläche der Skier reibt auf dem Schnee, wir reiben unsere Hände, um sie aufzuwärmen etc. Die Gleitreibungskraft ist proportional zur Normalkraft: Verdoppeln wir die Normalkraft, so verdoppelt sich auch die Gleitreibungskraft.

Rollreibung

Rollreibung
Bei der Rollreibung eines Autoreifens entsteht die Reibung im Gummi des Reifens und durch Reibungseffekte zwischen Rad und Strassenbelag.
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Rollreibung entsteht, wenn Räder auf dem Boden, der Strasse oder den Schienen abrollen. Beim Abrollen drücken sie kurzzeitig auf die Oberfläche, gleiten aber nicht auf ihr. Es handelt sich deshalb nicht um Gleitreibung. Die Reibung entsteht im Material der Räder und der Unterlage. Deren Materialien werden elastisch zusammengedrückt und danach wieder entspannt. Bei diesem Prozess entsteht innere Reibung im Material, bei welcher ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt wird. Eine Erhöhung der Normalkraft verstärkt das Zusammendrücken und verstärkt damit auch die Rollreibung.

Haftreibung

Haftreibung
Die Haftreibungskraft wirkt nach oben, die Gewichtskraft nach unten. Beide Kräfte heben sich auf und der Mann bleibt auf gleicher Höhe.
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Wenn wir weder ein Gleiten, noch ein Rollen haben und die beiden Flächen gewissermassen “zusammenhaften”, sich also zusammen gleich bewegen oder sogar in Ruhe bleiben, dann haben wir Haftreibung. Beispiel: Wenn wir einen Stift zwischen zwei Fingern halten, so verhindert die Haftreibung, dass er fallen kann. Auch die Haftreibung ist abhängig von der Normalkraft, denn wenn wir den Druck der Finger lockern, gleitet uns der Stift irgendwann aus den Fingern. Im Gegensatz dazu erfährt ein eingeschlagener Nagel eine so grosse Normalkraft rundherum, dass wir ihn nur mit einer Zange und viel Kraft herausziehen können.

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Aufgabensammlung

  • Baldwin Street (0107)

  • Bremsweg (0108)

  • Fahrrad (0077)

  • Schwerer Kasten (0106)