Reibung

Unter dem Begriff Reibung bzw. Reibungskraft fasst man verschiedene Kräfte zusammen, die dazu führen, dass zwei sich berührende Körper gegenseitig abbremsen.

Die Reibungskraft \(\vec F_\text R\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung oder verhindert die Bewegung komplett. Man unterscheidet zunächst die folgenden beiden Arten von Reibung:

• Die Haftreibung bewirkt, dass auf einer Unterlage ruhender Gegenstand zunächst in Ruhe bleibt, auch wenn eine Kraft versucht ihn zu beschleunigen. Unmittelbar bevor sich der Gegenstand mit einem Ruck in Bewegung setzt, ist die Zugkraft und damit auch die Reibungskraft am größten (Abb. 1). Diese maximale Reibungskraft bei ruhendem Gegenstand bezeichnet man als Haftreibungskraft.
• Gleitet ein Gegenstand über eine Oberfläche, wirkt die Gleitreibung seiner Bewegung entgegen. Die Gleitreibungskraft ist immer kleiner als die Haftreibungskraft.

Ursache von Haft- und Gleitreibung sind mikroskopisch kleinen Unebenheiten der sich berührenden Körperoberflächen. Die Haftreibungskraft \(\vec F_{\text{R, H}}\) und die Gleitreibungskraft \(\vec F_{\text{R, G}}\) sind näherungsweise proportional zur jeweiligen Normalkraft F_N, d. h. der Kraft, mit welcher ein Körper auf seine Unterlage drückt (mathematisch ausgedrückt: der Komponente der auf den Körper wirkenden äußeren Kraft, die senkrecht auf der Oberfläche steht). Die dimensionslosen Proportionalitätsfaktoren \(\mu_\text H\) (Haftreibungskoeffizent) bzw. \(\mu_\text G\) (Gleitreibungskoeffizent) hängen immer von Material und Beschaffenheit der beiden aneinander reibenden Flächen ab. Es gilt:

\(\vec F_{\text{R, H}} = \mu_\text H \text{ (Haftreibung);} \quad \vec F_{\text{R, G}} = \mu_\text G \text{ (Gleitreibung);} \quad \mu_\text H > \mu_\text G\)

Typische Werte sind 0,1–0,5 für \(\mu_\text H\) und 0,01–0,3 für \(\mu_\text G\).

• Eine weitere Reibungsform ist die Rollreibung, die wirkt, wenn der eine Körper auf dem anderen abrollt und ist deutlich kleiner als Haft- und Gleitreibung (deshalb war die Erfindung des Rads so eine gute Idee). Der Rollreibungskoeffizient \(\mu_\text R\) von Eisen auf Eisen ist besonders klein, weswegen Eisen- und Straßenbahn so energiesparend unterwegs sind.
• Auch der Luftwiderstand oder allgemeiner der Strömungswiderstand bei der Bewegung durch ein Fluid (Gas oder Flüssigkeit) ist eine Reibungskraft.

Haft-, Gleit- und Rollreibung sowie der Strömungswiderstand nennt man zusammengenommen äußere Reibungskräfte. Im Gegensatz dazu bezeichnet die innere Reibung den Widerstand, den die einzelnen Teilchen eines festen, flüssigen oder gasförmigen Körpers ihrer relativen Bewegung untereinander entgegensetzen. Die Wirkung der inneren R. zeigt sich bei festen Körpern z. B. darin, dass ein elastisch schwingender Körper allmählich zur Ruhe kommt. Bei Gasen oder Flüssigkeiten beschreibt man die innere Reibung mit der Größe Viskosität.

Jede Bewegungshemmung durch Reibung leistet eine Arbeit, die Reibungsarbeit. Sie wird vollständig in Wärme umgewandelt. Solche Reibung ist oft unerwünscht. Man versucht in der Technik deshalb, möglichst alle Gleitreibungsvorgänge in Rollreibungsvorgänge umzuwandeln, etwa mit Kugel- und Wälzlagern. Lässt sich die Gleitreibung jedoch nicht vermeiden (z. B. in Zylindern von Motoren, in denen Kolben an den Zylinderwänden gleiten), bringt man Schmiermittel (Öle, Schmierfette) auf die Gleitflächen, sodass die Gleitreibung zwischen Kolben und Zylinderwand durch die weitaus geringere innere Reibung des Schmiermittels ersetzt wird.

Übrigens: Reibung ist nicht immer schlecht. Ohne Reibung würde nicht nur jedes Auto und Fahrrad aus der kleinsten Kurve fliegen, man könnte sich ohne Raketenantrieb überhaupt nicht fortbewegen, wie sich gut auf einer Eisfläche nachprüfen lässt!