Reibungskraft

1. Definition der Reibungskraft

Reibung ist eine Widerstandskraft, die zwischen den Oberflächen von Objekten wirkt, die sich berühren. In diesem Abschnitt wird die Reibungskraft im Zusammenhang mit der Reibungskraft zwischen zwei festen Körperoberflächen betrachtet, die sich berühren. Beispiele hierfür sind die Reibung zwischen der Unterseite eines Balkens und dem Boden, die Reibung zwischen der Schuhsohle und dem Boden oder die Reibung zwischen den Autoreifen und der Fahrbahn.

Die Reibungskraft wirkt stets auf den Oberflächen aneinandergrenzender fester Gegenstände, selbst wenn diese sehr glatt sind. Selbst glatte Oberflächen weisen mikroskopisch betrachtet eine hohe Rauheit auf. Bewegt sich ein Objekt, behindern diese mikroskopischen Unebenheiten die Bewegung. Auf atomarer Ebene führt eine Erhebung auf der Oberfläche dazu, dass Atome einander sehr nahe kommen, sodass die elektrischen Kräfte zwischen den Atomen chemische Bindungen bilden können – eine Verbindung zwischen den beiden Oberflächen eines sich bewegenden Objekts. Bewegt sich ein Objekt, beispielsweise schiebt man ein Buch über eine Tischplatte, stößt die Bewegung des Buches auf Hindernisse und kommt schließlich zum Stillstand. Dies ist auf die Bildung und das Lösen von Bindungen zurückzuführen.

Reiben sich die Oberflächen zweier Objekte aneinander, entsteht Reibung zwischen ihnen. Die Reibungskraft auf ein sich bewegendes Objekt wirkt stets der Bewegungsrichtung entgegen. Neben der Behinderung der Bewegung kann Reibung auch Verschleiß und Schäden verursachen. Dies lässt sich beispielsweise an einem Fahrzeugmotor beobachten. Durch das Schmieren eines Motorradmotors soll die Reibung im Motor reduziert werden. Ohne Schmierung würde der Motor schnell Schaden nehmen. Dieses Beispiel verdeutlicht die durch Reibung verursachten Schäden.

2. Arten von Reibungskräfte

Es gibt zwei Arten von Reibungskräften: die Haftreibungskraft (f _{_s} ) und die Gleitreibungskraft (f_{_k} ). Die Haftreibungskraft wirkt, wenn sich ein Objekt nicht bewegt, die Gleitreibungskraft hingegen, wenn es sich bewegt. Schiebt man einen Tisch, ohne dass er sich bewegt, wirkt auf den ruhenden Tisch die Haftreibungskraft. Bewegt sich der Tisch hingegen, wirkt die Gleitreibungskraft. Wird der Tisch nicht ständig geschoben, kommt er nach einer gewissen Zeit zum Stillstand. Dies geschieht aufgrund der Gleitreibung, die seine Bewegung blockiert.

Sind Sie schon einmal auf einem glatten Untergrund ausgerutscht? Beim Ausrutschen wirkt eine Reibungskraft zwischen der Schuhsohle oder der Sohle einer Sandale und dem glatten Boden – die sogenannte Gleitreibung. Das ist vergleichbar mit dem Bremsen eines Motorrads oder Autos auf nasser, glatter Fahrbahn, bis die Räder durchdrehen. Auch hier wirkt eine Gleitreibung zwischen Rad und Straße. Beim Gehen hingegen wirkt eine Haftreibung zwischen Schuhsohle oder Sandalensohle und Boden. Solange die Räder nicht durchdrehen, wirkt ebenfalls eine Haftreibung zwischen Rad und Straße.

2.1 Statische Reibungskraft

Die statische Reibungskraft ist die Reibungskraft, die auf die Oberfläche von Objekten wirkt, die sich berühren, solange sich die Objekte noch nicht bewegt haben.

Abbildung 1 zeigt einen Gegenstand, der sich auf der Oberfläche einer ebenen Fläche befindet. Solange sich der Gegenstand nicht bewegt hat, ist die Haftreibungskraft (f_s) kleiner als die Zugkraft (F). Wird der Gegenstand weiter gezogen, bewegt er sich. Sobald sich der Gegenstand bewegt, ist die Größe der Haftreibungskraft (f_s) geringer als die Zugkraft._s) entspricht der Größe der Zugkraft (F).

Das erste Newtonsche Gesetz besagt, dass ein Objekt in Ruhe ist, wenn die Gesamtkraft (resultierende Kraft) null ist.

ΣF _y = 0 (Objekt ruht und bewegt sich nicht in vertikaler Richtung)

N – w = 0

N = w (1.2)

Ersetzen Sie N in Gleichung 1.1 durch N in Gleichung 1.2.

f _s = μ _s w

f _s = μ _s mg (1.3)

fs = statische Reibung (N), μs = Koeffizient der statischen Reibung, N = Normalkraft (N), w = Erdbeschleunigung (N), m = Masse (kg), g = Erdbeschleunigung (m/ ^s² )

Um den Haftreibungskoeffizienten zu bestimmen, verwenden Sie Gleichung 1.1 b.

Σf _x = 0 (Das Objekt ruht und bewegt sich nicht in horizontaler Richtung)

F – f _s = 0

F = f _s (1.4)

Wenn sich der Gegenstand zu bewegen beginnt, entspricht die maximale statische Reibungskraft der Größe der Schub- oder Zugkraft.

2.2 Gleitreibungskraft

Die kinetische Reibungskraft ist die Reibungskraft, die auf die Oberfläche von Objekten wirkt, die sich berühren, wenn sich ein Objekt bewegt.

Um den Gleitreibungskoeffizienten (μ _k ) zu bestimmen, verwenden Sie Gleichung 1.5 b .

Abbildung 2 zeigt einen Gegenstand, der gleichmäßig gezogen wird, sodass er sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Bei konstanter Geschwindigkeit ist die Größe der Gleitreibungskraft (fk) gleich der Größe der Zugkraft (F).

Das erste Newtonsche Gesetz besagt, dass sich ein Objekt mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, wenn die Gesamtkraft (resultierende Kraft) null ist.

ΣF _x = 0 (Objekte bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit in horizontaler Richtung)

F – f _k = 0

F = f _k (1.6)

Beispielaufgabe 1:

Ein Schüler zieht mithilfe eines Dynamometers (Kraftmessgeräts) an einem Balken mit einer Masse von 1 kg, der auf einer Tischoberfläche liegt. Sobald sich der Balken bewegt, zeigt das Dynamometer 2 N an. Die Erdbeschleunigung beträgt 10 m/s² ^. Bestimmen Sie (a) die Größe der Haftreibung und (b) den Haftreibungskoeffizienten.

Lösung:

Gegeben : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² ^, w = mg = 10 N

(a) f _s

Wenn sich der Balken bewegt, entspricht die Größe der statischen Reibungskraft der Größe der Zugkraft (vgl. Gleichung 1.4). Daher gilt: f_{_s} = F = 2 N.

(b) μ _s

f _s = μ _s w

2 N = (μ _s )(10 N)

μ _s = 2 N / 10 N = 0.2

Beispielaufgabe 2:

Ein Balken mit einer Masse von 1 kg, der sich über einer Tischoberfläche befindet, wird gleichmäßig gezogen, sodass er sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Bei konstanter Geschwindigkeit zeigt das Dynamometer 1 N an. Die Erdbeschleunigung beträgt 10 m/s² ^. Bestimmen Sie (a) die Größe der Gleitreibungskraft und (b) den Gleitreibungskoeffizienten.

Lösung:

Gegeben: m = 1 kg, g = 10 m/s² ^, F = 1 N, w = mg = 10 N

(a) f _k

Bewegt sich der Balken regelmäßig oder mit konstanter Geschwindigkeit, so ist die Größe der kinetischen Reibungskraft gleich der Größe der Zugkraft (vgl. Gleichung 1.6).

Also f _k = F = 1 N

(b) μ _k

f _k = μ _k w

1 N = (μ _k )(10 N)

μ _k = 1 N / 10 N = 0.1