Lektion 2.2

Reibung

15 min Lesezeit

Du fährst mit dem Fahrrad bergab und ziehst an den Bremsen. Du schiebst eine schwere Kiste über den Boden: Erst bewegt sie sich keinen Millimeter, dann rutscht sie plötzlich. Im Winter rutschst du auf Glatteis aus, obwohl du genauso gehst wie sonst. Und wenn du die Hände aneinander reibst, werden sie warm.

Hinter allem steckt die Reibung. Mal hilft sie dir, mal stört sie. In dieser Lektion lernst du ihre Arten kennen, woher sie kommt, was sie mit Verkehrssicherheit zu tun hat und was dabei mit der Energie geschieht.

Definition

Reibungskraft

Berühren sich zwei Körper und rutschen sie gegeneinander, oder würden sie rutschen, wenn nichts sie hält, wirkt zwischen den Berührungsflächen eine Reibungskraft FRF_R. Sie zeigt immer gegen die Richtung, in die die Flächen aneinander rutschen oder rutschen würden. Man zeichnet sie als Kraftpfeil.

Die Ursache: Keine Fläche ist ganz glatt. Unter dem Mikroskop sieht auch eine polierte Fläche wie ein Gebirge aus kleinen Spitzen und Tälern aus. Beim Aufeinanderdrücken verhaken sich die Unebenheiten. Dazu kommt, dass sich die Teilchen der beiden Flächen gegenseitig anziehen.

Definition

Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung

Es gibt drei Arten:

ArtWann sie wirktBeispiel
HaftreibungDer Körper wird gezogen oder geschoben, bleibt aber liegen.Kiste, die sich nicht bewegt; Schuhsohle beim Gehen; geparktes Auto am Hang
GleitreibungDer Körper gleitet über die Unterlage.Schlitten, Bremsklötze an der Felge, Kreide an der Tafel
RollreibungEin Rad, eine Walze oder eine Kugel rollt auf der Unterlage.Fahrradreifen, Rollkoffer, Kugellager

Die Haftreibungskraft passt sich an. Ziehst du mit 3 N an einer liegenden Kiste, wirkt eine Haftreibungskraft von 3 N nach hinten. Ziehst du mit 5 N und sie bleibt liegen, sind es 5 N. Erst wenn die Zugkraft den größten Wert der Haftreibungskraft übersteigt, rutscht die Kiste los. Danach wirkt die Gleitreibung, und die ist meist kleiner. Darum braucht man weniger Kraft, um die Kiste in Bewegung zu halten, als um sie loszureißen. Die Rollreibung ist noch viel kleiner. Deshalb erleichtern Räder und Rollen den Transport. Meist gilt: größte Haftreibung > Gleitreibung > Rollreibung.

Beispiel

Die drei Reibungsarten messen

Ein Holzklotz (Gewichtskraft 5 N) liegt auf einem Tisch. Ein Kraftmesser zieht ihn langsam waagerecht. Kurz vor dem Losrutschen zeigt er 2,5 N. Beim gleichmäßigen Gleiten zeigt er 1,5 N. Mit Rundhölzern als Rollen unter dem Klotz zeigt er beim gleichmäßigen Ziehen 0,2 N (angenommene Messwerte). Wie groß sind die größte Haftreibungskraft, die Gleitreibungskraft und die Rollreibungskraft?

Wird der Klotz gleichmäßig gezogen, ist die Zugkraft so groß wie die Reibungskraft. Warum, klärt die nächste Lektion.

Größte Haftreibungskraft: 2,5 N. Gleitreibungskraft: 1,5 N. Rollreibungskraft: 0,2 N.

Die Reihenfolge 2,5 N > 1,5 N > 0,2 N passt zur Regel. Die Rollreibung ist mehr als siebenmal kleiner als die Gleitreibung, denn 1,5 : 0,2 = 7,5.

Definition

Wovon die Reibungskraft abhängt

Mit dem Klotz kannst du weiter experimentieren. Drei Einflüsse zeigen sich:

  • Anpresskraft: So nennt man die Kraft, mit der ein Körper senkrecht gegen die Unterlage gedrückt wird. Beim Klotz auf dem Tisch ist es seine Gewichtskraft. Je größer sie ist, desto größer ist die Reibungskraft. Legst du einen zweiten gleichen Klotz obenauf, wird die Gleitreibungskraft etwa doppelt so groß.
  • Oberflächen: Raue Flächen wie Sandpapier oder Gummi haben mehr Reibung, glatte oder geschmierte Flächen weniger.
  • Auflagefläche: Sie spielt kaum eine Rolle. Ein Ziegelstein, der flach oder hochkant gezogen wird, braucht ungefähr dieselbe Kraft.

Reibung verkleinern kannst du durch Schmieren mit Öl oder Fett, durch glatte Flächen und durch Räder oder Kugellager. Vergrößern kannst du sie durch raue Flächen, ein Profil oder Sand auf Glatteis.

Definition

Reibung und Verkehrssicherheit

Beim Bremsen verzögert die Reibung zwischen Reifen und Straße ein Auto. Ein rollender Reifen haftet an der Straße. Das ist Haftreibung, und sie ist größer als die Gleitreibung. Blockieren die Räder, rutscht das Auto: Es wirkt nur Gleitreibung, der Bremsweg wird länger, und man kann nicht mehr lenken. Das ABS verhindert das Blockieren, damit die Räder weiter rollen und das Auto lenkbar bleibt.

Auf nassen Straßen, bei Schnee und bei Glatteis sind Haft- und Gleitreibung der Reifen kleiner, und der Bremsweg wird deutlich länger als auf trockener Straße. Bei starkem Regen kann sich ein Wasserfilm zwischen Reifen und Straße schieben, und das Auto verliert den Halt (Aquaplaning). Das Profil der Reifen leitet das Wasser ab. Darum gilt: Reifenprofil prüfen, im Winter Winterreifen nutzen, langsamer fahren und mehr Abstand halten. Für Fahrräder gilt dasselbe.

Definition

Reibung, Wechselwirkung und Energie

Reibung wirkt zwischen zwei Körpern, und beide spüren sie. Der Boden bremst den Schlitten, und der Schlitten wirkt auf den Boden zurück. Darum nutzen sich beide Flächen ab, wie du an Schuhsohlen und Bremsbelägen siehst. Die nächste Lektion zeigt, dass Kräfte immer paarweise auftreten.

Bei Gleitreibung wird Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Reibst du die Hände aneinander, werden sie warm. Eine Bremsscheibe wird beim Bremsen heiß, und ein Bohrer wird beim Bohren warm. Die Wärme verteilt sich in der Umgebung und lässt sich nicht mehr zum Antrieb nutzen. Wo Reibung stört, geht deshalb nutzbare Energie verloren. Ein gut geschmiertes Fahrrad lässt sich leichter treten.

Beispiel

Welche Reibung wirkt?

Nenne die Art der Reibung: a) Du gehst los, und deine Schuhsohle rutscht nicht weg. b) Ein Schlitten gleitet den Hang hinab. c) Ein Skateboard rollt über den Weg. d) Die Räder eines Autos blockieren beim Bremsen.

a) Haftreibung: Die Sohle gleitet nicht über den Boden. Die Reibung des Bodens schiebt dich nach vorn.

b) Gleitreibung: Die Kufen gleiten über den Schnee.

c) Rollreibung: Die Räder rollen.

d) Gleitreibung: Die Reifen rutschen über die Straße.

Häufige Fehler

Reibung ist immer schlecht

„Ohne Reibung wäre alles besser, dann ginge alles leichter.“

Richtig ist

Ohne Reibung gäbe es kein Gehen, kein Bremsen und keinen Halt für Knoten und Schrauben. Beim Gehen schiebt dich die Haftreibung zwischen Sohle und Boden nach vorn. Reibung ist nützlich und lästig, je nach Fall.

Häufige Fehler

Größere Fläche heißt mehr Reibung

„Ein Ziegelstein auf der großen Seite hat mehr Reibung als auf der kleinen.“

Richtig ist

Die Reibungskraft hängt kaum von der Größe der Auflagefläche ab. Wichtig sind die Anpresskraft und die Oberflächen. Der Ziegelstein braucht flach oder hochkant ungefähr dieselbe Zugkraft.

Zusammenfassung

  • Die Reibungskraft wirkt zwischen zwei Berührungsflächen gegen die Richtung, in die sie aneinander rutschen oder rutschen würden. Ursache sind Unebenheiten und die Anziehung zwischen Teilchen.

  • Haftreibung wirkt bei ruhenden Körpern. Sie passt sich der Zugkraft an, bis ihr größter Wert erreicht ist.

  • Gleitreibung wirkt bei gleitenden Körpern, Rollreibung bei rollenden. Meist gilt: größte Haftreibung > Gleitreibung > Rollreibung.

  • Die Reibungskraft wächst mit der Anpresskraft und hängt von den Oberflächen ab. Die Größe der Auflagefläche spielt kaum eine Rolle.

  • Im Verkehr verlängert Gleitreibung den Bremsweg. Auf Nässe und Glatteis sind Haft- und Gleitreibung der Reifen kleiner. Das ABS verhindert das Blockieren der Räder.

  • Reibung ist eine Wechselwirkung zwischen zwei Körpern. Bei Gleitreibung wird Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt.

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Die Räder eines Autos blockieren beim Bremsen, und das Auto rutscht über die Straße. Welche Reibung wirkt?

Aufgabe 2Numerisch

Ein Klotz mit der Gewichtskraft 4 N hat auf dem Tisch die Gleitreibungskraft 1,2 N. Du legst zwei weitere gleiche Klötze obenauf, es sind also drei. Wie groß ist die Gleitreibungskraft ungefähr, in Newton? Nimm an, sie wächst im gleichen Verhältnis wie die Anpresskraft.

Aufgabe 3Multiple Choice

Ein Ziegelstein wird einmal auf der großen Seitenfläche und einmal auf der kleinen Fläche gleichmäßig über den Tisch gezogen. Was gilt ungefähr?

Aufgabe 4Numerisch

Du ziehst mit 8 N an einer Kiste, die dabei liegen bleibt. Ihre größte Haftreibungskraft wäre 12 N. Wie groß ist die Haftreibungskraft in diesem Moment, in Newton?

Aufgabe 5Multiple Choice

Beim Bremsen eines Fahrrads wird die Felge warm. Welche Umwandlung findet statt?

Aufgabe 6Freitext

Warum ist der Bremsweg eines Autos auf Glatteis viel länger als auf trockener Straße? Was kann der Fahrer tun?