Reibungswiderstand

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Der Reibungswiderstand ist ein makroskopisches Maß, das die Stärke der Reibungskraft im Verhältnis zur Normalkraft angibt.

Bewegen sich zwei makroskopische Körpern aneinander vorbei entsteht Reibung, das heißt für die Fortsetzung der Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit muss permanent die Reibungskraft durch eine Vortriebskraft ausgeglichen werden.

Als Beispiel: Ein Würfel rutscht über eine schiefe Ebene. Einerseits wird der Würfel durch die Gravitationskraft nach unten gezogen, andererseits auf die Oberfläche der Ebene gepresst (Normalkraft).

Beschreibung

Der Reibungswiderstand gibt nun an, welche Reibungskraft zwischen dem Würfel und der Oberfläche entsteht. Erst wenn die Neigung der schiefen Ebene einen ausreichenden Winkel einnimmt, wird die Vortriebskraft grösser als die Reibungskraft und der Würfel beginnt zu rutschen.

Die Reibung zwischen dem Würfel und der Oberfläche entsteht dadurch, dass die Atome an den Oberflächen beider Objekte "aneinanderstossen" bzw. "Täler" und "Hügel" aneinanderprallen.

Eine Berechnung der Reibungskraft ausgehend von einem atomaren Modell der Oberflächen ist nicht unmöglich, aber sehr aufwendig (nur für sehr einfache Modelle können mit Hochleistungscomputern solche Modelle berechnet werden). Das Problem ist die riesige (siehe Loschmidt-Zahl) Anzahl der Atome, die in einem makroskopischen Körper enthalten ist.

Daher führt man die makroskopische, empirische Größe des Reibungswiderstand ein. Sie wird durch Messung ermittelt.

Der Reibungswiderstand hängt maßgeblich von der Materialkombination (chemische Zusammensetzung), Oberflächenbeschaffenheiten (Wellen, Riefen, Rauhigkeit) der Reibungspartner, der Temperatur und anderen Umgebungsfaktoren (Luftfeuchtigkeit, Ölfilm, Staub...) ab.

Für wichtige Matrialkombinationen (Metall - Metall, Asphalt - Gummi, ...) findet man den Reibungswiderstand in Tabellenwerken.

Bei der Analyse von Reibungsvorgängen muss man immer berücksichtigen, dass durch die Reibung eine große Menge Wärme freigesetzt wird. Da die Temperatur den Reibungswiderstand beeinflusst kommt es zu einer Rückkopplung.

Ein gutes Beispiel ist die Scheibenbremse eines PKW. Diese verwendet Reibung (Bremsscheibe wird gegen Bremsbelag gedrückt) um die kinetische Energie des PKW in Wärme umzuwandeln und dadurch den PKW zu verlangsamen (bremsen). Wird diese Bremse aber nicht ausreichend gekühlt, kann sie überhitzen (z.B. Abfahrt über Passstrasse). Dann nimmt der Reibungswiederstand durch die steigende Temperatur stark ab und die Bremskraft nimmt sehr stark ab.

An der Bremse des Fahrrad kann man sehr schön den Einfluss der Umgebung auf den Reibungswiderstand erfahren. Bei einsetzendem Regen kommt Wasser zwischen die Felge des Fahrrad und die Bremsklötze, so dass der Reibungswiderstand stark abnimmt.

Den Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit kann man am besten mit seinen eigenen Händen erfahren. Einfach mit dem Finger über ein Blatt Papier bewegen und über ein Blatt Schleifpapier. Noch besser: Schleifpapier verschiedener Körnungen.

Den Einfluss der Materialkombination ist etwas schwieriger zu erfahren, da der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit dominant ist. Teflon hat z.B. deshalb so einen geringen Reibungswiederstand, weil alle Atome (Kohlenstoff und Fluor) gesättigte Bindungen eingehen, das heißt keine freien Valenzelektronen vorkommen.