Rollreibung
Bei der Rollreibung eines Autoreifens entsteht die Reibung im Gummi des Reifens und durch Reibungseffekte zwischen Rad und Strassenbelag.
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Die Rollreibung ist, neben der Gleit- und Haftreibung, eine der drei Formen der Reibungskraft. Unter Rollreibung verstehen wir die innere Reibung im Material des rollenden Körpers oder der Unterlage aufgrund der Rollbewegung. Bei dieser Rollbewegung wird das elastische Material komprimiert und danach wieder entspannt.

Auch die Rollreibungskraft $F_R$ hängt von der Normalkraft $F_N$ ab. Je stärker die Flächen zusammendrücken, desto grösser ist die Rollreibungskraft. Sie ist auch abhängig von den Materialien und der Beschaffenheit der Oberflächen. Diese Eigenschaften werden im Rollreibungskoeffizienten $\mu_R$ zusammengefasst:

\[ F_R = \mu_R \cdot F_N \]

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/oder in der Unterlage. Die 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.

Wenn auf dem Reifen eine kleine Markierung angebracht wird, z.B. mit einer weissen Kreide, dann wird der weisse Punkt irgendwann auf den Boden gedrückt. Danach erhebt er sich wieder und “fliegt” gewissermassen zum nächsten Punkt, wo er wieder auf den Boden gedrückt wird. Zwischen den beiden Punkten haben wir natürlich die Länge eines Radumfangs. Der Reifen wird im markierten Punkt zusammengedrückt. Wenn der markierte Punkt nicht auf der Strasse ist, ist er entspannt.

Wir können uns die Situation an der markierten Stelle im Reifen deshalb wie folgt vorstellen: Es ist wie ein Teig, der geknetet wird. Beim Kneten drücken wir den Teig zusammen und entspannen ihn dann wieder, dann drücken wir wieder zusammen etc. Wenn wir das mehrere Male wiederholen werden wir müde, weil wir am Teig Arbeit verrichtet haben. Der Teig selber wird durch die innere Reibung leicht erwärmt. Das Gleiche passiert bei der Rollreibung.

Weiche Materialien haben eine grössere Rollreibung. Werden Autoreifen zu schwach aufgepumpt, so sind sie noch weicher und verformen sich noch stärker. Dadurch ist die Rollreibung umso grösser. Bei einer langen Reise und bei hohen Aussentemperaturen könnte der Reifen sogar überhitzen. Bei hart aufgepumpten Reifen ist die Reibung und damit der Benzinverbrauch kleiner. Je härter das Rad und die Unterlage, desto weniger werden sie zusammengedrückt und die Rollreibung ist dadurch meistens viel kleiner, z.B. bei gehärteten Stahlkugeln im Kugellager.

Beispiele für Rollreibung:

  • Gummireifen fährt auf der Strasse
  • Metallkugel rollt zwischen zwei Metallflächen des Kugellagers
  • Das Rad einer Eisenbahn rollt auf einer Schiene
  • Der Zahn eines Zahnrads rollt auf dem Zahn eines anderen Zahnrads ab

Die Rollreibungskraft ist proportional zur Normalkraft: Verdoppeln wir die Normalkraft, so verdoppelt sich auch die Rollreibungskraft. Der Proportionalitätsfaktor heisst Rollreibungskoeffizient $\mu_R$. Je kleiner der Gleitreibungskoeffizient, desto kleiner wird die Rollreibung bei einer gegebenen Normalkraft sein:

\[ F_R = \mu_R \cdot F_N \]

Die Rollreibung ist deutlich kleiner als die Gleitreibung bei gleicher Normalkraft, da der Rollreibungskoeffizienten viel kleiner sind, als Gleitreibungskoeffizienten. Natürlich ist sie damit erst recht kleiner als die Haftreibung.


Aufgabensammlung

  • Fahrrad (0077)