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2.5. Reibungskräfte zwischen festen Körpern • Die Reibung ist wichtig für viele Bewegungsabläufe. • • • •
Ohne Reibung könnte man nicht laufen, fahren, bremsen. Reibung bei Bewegung(en) in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet man als innere Reibung. Reibung zwischen festen Körpern heißt äußere Reibung. Die mit der äußeren Reibung verbundenen mikrophysikalischen Vorgänge sind äußerst kompliziert. • Was geschieht auf nanoskaliger und atomarer Ebene? • Hier sollen nur phänomenologische Beziehungen betrachtet werden; diese sind oft nur näherungsweise gültig. • Die Newton‘schen Axiome 1 und 2 sind Idealisierungen; im täglichen Leben beobachtet man anderes. • Nach dem Trägheitsprinzip sollte ein auf waagerechter Ebene rutschender Körper seine Geschwindigkeit für immer beibehalten. Tatsächlich kommt der Körper aber früher oder später zur Ruhe.
•Nach dem Aktionsprinzip sollte eine beliebig kleine Kraft einen Körper in Bewegung setzen können. Ist jedoch Reibung mit im Spiel, dann vermag eine beliebig kleine Kraft keineswegs den Körper zu bewegen bzw. zu beschleunigen.
2.5.1. Haftreibung • Ein Körper haftet auf seiner Unterlage. Es gibt nie ganz glatte Oberflächen, sondern immer mikroskopische Verhakungen. • Kräfte, die kleiner sind als die Haftreibungskraft, lassen den Körper in Ruhe, siehe dazu Skizze an der Tafel bzw. in der Skripte. • Der Körper „antwortet“ in diesem Falle nach dem Gegenwirkungsprinzip mit einer gleich großen Gegenkraft (actio = reactio). • Experimente: - Haftreibung unabhängig von der Größe der Auflagefläche - Haftreibung ist proportional zur Normalkraft • Experimente: - Klotz auf Wagen auf geneigter Ebene - Schüttkegel aus verschiedenen Materialien
Der Haftreibungskoeffizient ist spezifisch für bestimmte Stoffpaarungen und Oberflächen • Stahl / Stahl
0,5 (trocken) 0,1 mit Ölschmierung
• Glas / Glas
0,9
• Eis / Eis (bei -10 °C)
0,3
2.5.2. Gleitreibung • Nach Überwindung der Haftreibung gleitet der Körper mit der Geschwindigkeit v. • Dazu bedarf es der Kraft F, um diese Geschwindigkeit aufrecht zu erhalten. • Die ihr entgegengesetzt gerichtete und betragsmäßig gleich große, von der Reibung herrührende Kraft heißt: Gleitreibungskraft. • Die Richtung von Reibungskräften ist immer entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Körpers.
2.5.3. Rollreibung • Ohne Haftreibung könnte ein Rad auf seiner Unterlage nicht rollen, sondern nur gleiten. • Die Rollreibung hat ihre Ursache in der Deformation von Rad und Unterlage an der Kontaktstelle; beide sind keine ideal festen starren Körper. • Mitunter berücksichtigt man, dass die Rollreibung vom Radius des Rades abhängen muss. Bei gleicher Normalkraft drückt sich ein kleines Rad tiefer in die Unterlage als ein großes (siehe Traktor). • Die die Bewegung hemmende Reibungskraft muss also für ein kleines Rad größer sein.
Zur Rollreibung • Eine relativ gute Annäherung an die praktische Realität gelingt mit einer entsprechend aufgestellten Beziehung. • Beispiele: Autoreifen auf Asphalt: 0,025 Stahl auf Stahl: 0,003 l = 0,0005 m
2.5.4. Seilreibung • Experiment zur Seilreibung an einer Rolle
