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Reibung: Arten, Kräfte und Berechnung
Reibung ist eine Kraft zwischen sich berührenden Körpern. Sie verhindert oder hemmt eine Bewegung – und macht zugleich Gehen, Bremsen und Kurvenfahren möglich. Du lernst hier, Reibungsarten zu unterscheiden und Reibungskräfte im einfachen Festkörpermodell zu berechnen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum Reibung Bewegung hemmt
Warum bleibt ein Fahrrad nicht unbegrenzt in Bewegung, wenn du aufhörst zu treten? Reifen, Lager und Luft üben Kräfte aus, die der Bewegung entgegenwirken. Solche Kräfte heißen Reibungskräfte.
Reibungskraft
Eine Reibungskraft entsteht beim Kontakt von Körpern. Sie wirkt parallel zur Kontaktfläche und entgegen der Bewegung oder der Bewegungstendenz.
Im Schulmodell werden mikroskopische Unebenheiten und Verformungen der Oberflächen als wichtige Ursachen betrachtet. Selbst scheinbar glatte Flächen sind im Kleinen uneben. Beim Haften, Gleiten oder Rollen müssen diese Unebenheiten und Verformungen überwunden werden.
Reibung wandelt dabei einen Teil der mechanischen Energie in thermische Energie um. Das merkst du beispielsweise, wenn du deine Hände aneinanderreibst: Sie werden warm.
Reibung bremst nicht immer einen ganzen Körper. Beim Gehen verhindert Haftreibung gerade das Wegrutschen und ermöglicht dadurch die Vorwärtsbewegung.
Haft-, Gleit- und Rollreibung unterscheiden
Welche Reibungsart wirkt, hängt davon ab, wie sich die Kontaktflächen relativ zueinander verhalten.
Haftreibung
Bei der Haftreibung ruhen die Kontaktflächen relativ zueinander. Die Haftreibung passt sich der angreifenden Kraft an und verhindert zunächst das Losgleiten.
Ein Schuh haftet beim normalen Gehen am Boden. Auch beim Beschleunigen, Lenken oder Bremsen eines rollenden Reifens kann an der Kontaktstelle Haftreibung wirken, solange der Reifen nicht rutscht.
Gleitreibung
Gleitreibung wirkt, wenn zwei Kontaktflächen gegeneinander gleiten. Sie hemmt die Gleitbewegung.
Ein Buch, das über einen Tisch geschoben wird, und eine Person auf einer Rutsche sind Beispiele für Gleitreibung.
Rollreibung
Rollreibung tritt auf, wenn ein Körper auf einer Unterlage abrollt. Verformungen von Rad und Unterlage hemmen das Rollen.
Ein Wagen lässt sich meist leichter rollen als ein gleich schwerer Klotz gleitend verschieben. Für dasselbe Oberflächenpaar ist Rollreibung gewöhnlich kleiner als Gleitreibung.
Neben der Festkörperreibung gibt es Strömungswiderstand in Gasen und Flüssigkeiten, etwa Luftwiderstand beim Fahrradfahren. Dafür gelten andere Modelle als für trockene Festkörperreibung.
Reibungskräfte berechnen
Für die Beträge trockener Festkörperreibung verwendet man das einfache Modell
$$F_R=\mu F_N$$
Dabei bedeuten:
- $F_R$: Betrag der Reibungskraft in Newton ($\mathrm N$),
- $F_N$: Normalkraft in Newton ($\mathrm N$),
- $\mu$: dimensionsloser Reibungskoeffizient des Oberflächenpaars.
Die Normalkraft wirkt senkrecht zur Kontaktfläche. Auf einer waagerechten Unterlage gilt ohne weitere senkrechte Kräfte:
$$F_N=F_G=mg$$
Der Koeffizient $\mu$ gehört immer zu einer bestimmten Kombination von Oberflächen und zur jeweiligen Reibungsart. Tabellenwerte können voneinander abweichen, weil Oberflächenzustand und Messbedingungen verschieden sein können.
Ein Stein mit $m=5\,\mathrm{kg}$ gleitet über Holz. Es gelten $\mu_G=0{,}7$ und $g=9{,}81\,\mathrm{m/s^2}$.
1. Normalkraft bestimmen:
$$F_N=mg=5\,\mathrm{kg}\cdot9{,}81\,\mathrm{m/s^2}=49{,}05\,\mathrm N$$
2. Gleitreibung berechnen:
$$F_R=\mu_G F_N=0{,}7\cdot49{,}05\,\mathrm N=34{,}335\,\mathrm N$$
Gerundet beträgt die Gleitreibungskraft $34{,}3\,\mathrm N$. Sie wirkt entgegen der Gleitbewegung.
Bestimme zuerst die Normalkraft. Wähle danach den zur Reibungsart und zum Oberflächenpaar passenden Koeffizienten.
Vom Haften zum Gleiten
Haftreibung ist nicht von Beginn an so groß wie ihr Höchstwert. Ziehst du mit $5\,\mathrm N$ an einer ruhenden Kiste und sie bleibt stehen, wirkt eine gleich große Haftreibungskraft von $5\,\mathrm N$ in Gegenrichtung.
Erst für die maximale Haftreibung gilt
$$F_{H,\max}=\mu_H F_N$$
Solange die äußere Kraft höchstens so groß wie $F_{H,\max}$ ist, kann der Körper in Ruhe bleiben. Überschreitet sie diesen Grenzwert, beginnt der Körper zu gleiten. Dann muss der Gleitreibungskoeffizient $\mu_G$ verwendet werden.
Für dasselbe Oberflächenpaar gilt gewöhnlich:
$$F_{H,\max}>F_{Gleit}>F_{Roll}$$
Deshalb brauchst du häufig zunächst eine größere Kraft, um einen Gegenstand in Bewegung zu setzen, als um ihn anschließend gleitend weiterzubewegen.
Reibung gezielt beeinflussen
Ob Reibung erwünscht ist, hängt von der Situation ab.
Nützliche Reibung:
- Haftreibung gibt Schuhen Halt.
- Haftreibung zwischen Reifen und Straße ermöglicht Lenken und Bremsen.
- Reibung in einer Bremse vermindert die Geschwindigkeit.
Störende Reibung:
- Rollreibung und Luftwiderstand bremsen ein Fahrrad.
- Gleitreibung erschwert das Verschieben einer Kiste.
- Reibung führt zu Erwärmung und kann Bauteile beanspruchen.
Im einfachen Modell wird die Reibungskraft größer, wenn die Normalkraft oder der passende Reibungskoeffizient größer wird. Oberflächenpaar, Oberflächenzustand und Schmierung beeinflussen den Koeffizienten. Rollen und Lager können Gleitreibung durch kleinere Rollreibung ersetzen.
Das Modell $F_R=\mu F_N$ ist eine Näherung für trockene Festkörperreibung. Es behandelt den Reibungsbetrag, nicht die Richtung. Die Kontaktfläche und die Geschwindigkeit kommen im einfachen Modell nicht vor. Bei weichen Reifen, veränderten Oberflächen oder zusätzlichem Luftwiderstand können diese Vereinfachungen nicht ausreichen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Reibung
- Wirkung: hemmt oder ermöglicht Bewegung
- Richtung: parallel zur Kontaktfläche
- Haftreibung: passt sich bis zum Grenzwert an
- Gleitreibung: wirkt beim Gleiten
- Rollreibung: wirkt beim Rollen und ist meist kleiner
- Normalkraft: wirkt senkrecht zur Kontaktfläche
- Reibungskoeffizient: gehört zu Oberflächenpaar und Reibungsart
- Berechnung: $F_R=\mu F_N$
- Anwendungen: nützlich beim Gehen und Bremsen, störend beim Gleiten und Fahren
Abschluss-Check
Du beherrschst den Kern, wenn du in einer neuen Situation zuerst die Reibungsart bestimmst, dann die Richtung angibst und anschließend – sofern das einfache Festkörpermodell passt – mit dem passenden Koeffizienten und der Normalkraft rechnest.