Reibung und Reibungskräfte

Wenn Körper aufeinanderhaften, gleiten oder rollen, tritt Reibung auf. Dabei wirken zwischen den Körpern Kräfte, die als Reibungskräfte bezeichnet werden. Reibungskräfte sind immer so gerichtet, dass sie der Bewegung entgegenwirken und diese hemmen (Bild 1) oder verhindern. Je nach der Art der Bewegung der Körper aufeinander unterscheidet man verschiedene Arten von Reibung bzw. von Reibungskräften.

Arten der Reibung
Körper können aufeinanderhaften, gleiten oder rollen. Entsprechend unterscheidet man zwischen Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung. Die betreffenden Kräfte werden als Haftreibungskraft, Gleitreibungskraft bzw. Rollreibungskraft bezeichnet.
Bild 2 gibt einen Überblick über die drei Arten der Reibung.
Ein Beispiel für Haftreibung wäre ein Auto mit angezogener Bremse, das auf einer abschüssigen Straße steht. Hier wirkt zum einen die Haftreibungskraft zwischen den Bremsscheiben und den Bremsbacken, zum anderen die Haftreibung zwischen den Rädern und der Straße. Die Haftreibung verhindert die Bewegung des Autos.
Beispiele für Gleitreibung sind das Gleiten mit Skiern auf Schnee, Schlittschuhfahren oder das Herabgleiten an einer Kletterstange.
Rollreibung ist vorhanden, wenn Räder oder Kugeln auf anderen Körpern rollen, so wie das bei Fahrzeugen oder Kugellagern der Fall ist.

Je nach den gegebenen Bedingungen können bei zwei gegebenen Körpern die verschiedenen Arten von Reibung auftreten. Betrachten wir als Beispiel die Räder eines Pkw. Bei einem stehenden und natürlich auch bei einem fahrenden Pkw ritt Haftreibung zwischen den Reifen der Straße auf. Nur dadurch ist überhaupt ein sicheres Fahren möglich. Darüber hinaus rollen die Räder auf der Straße. Es ist also auch Rollreibung vorhanden. In extremen Fällen, z.B. bei eisglatten Straßen, können die Räder auch rutschen und damit Gleitreibung auftreten. Vergleicht man für zwei gegebenen Körper die Beträge der Reibungskräfte, so gilt in der Regel:
Die Haftreibungskraft ist größer als die Gleitreibungskraft und diese ist größer als die Rollreibungskraft.

Ursachen für das Auftreten von Reibung
Die wesentliche Ursache für das Auftreten von Reibungskräften liegt in der Oberflächenbeschaffenheit der Körper begründet, die sich berühren. Diese Berührungsflächen sind mehr oder weniger rau. Selbst scheinbar glatte Flächen sind, wenn man sie unter einer Lupe oder einem Mikroskop betrachtet, uneben (Bild 3). Liegen die Körper aufeinander oder bewegen sie sich gegeneinander, so "verhaken" sich die Unebenheiten der Flächen. Damit wird die Relativbewegung gehemmt oder verhindert.

Berechnung der Reibungskraft
Der Betrag der bei Reibung auftretenden Reibungskraft ist abhängig

• von der Kraft, mit der ein Körper senkrecht auf eine Unterlage drückt; diese senkrecht auf die Unterlage wirkende Kraft wird als Normalkraft oder Anpresskraft bezeichnet;
  
• von der Art und der Beschaffenheit der Berührungsflächen; diese Materialbeschaffenheit wird durch die Reibungszahl erfasst.
  

Der Betrag der Reibungskraft ist umso größer, je größer die Normalkraft und die Reibungszahl sind. Die Reibungskraft kann berechnet werden mit der Gleichung:

Die genannte Gleichung kann für alle drei Arten der Reibung genutzt werden, wobei die jeweiligen Reibungszahl (Haftreibungszahl, Gleitreibungszahl, Rollreibungszahl) eingesetzt werden muss (Bild 4).

Dabei ist bezüglich der Rollreibung folgende Besonderheit zu beachten: Die Rollreibungszahl wird auch als Fahrwiderstandszahl bezeichnet. Nutzt man diese Größe, kann man die oben genannte Gleichung anwenden. Werte für die Fahrwiderstandszahl sind in Bild 5 gegeben.

Für die Rollreibungskraft findet man aber auch folgende Beziehung:

Die Zusammenhänge sind in Bild 6 erläutert. Vergleicht man beide genannten Gleichungen miteinander, so ist erkennbar: Für die Rollreibung ergibt sich die Fahrwiderstandszahl (Rollreibungszahl) als:

Strömungswiderstand
Wird ein Körper von einer Flüssigkeit oder einem Gas umströmt, dann wird die Bewegung des Körpers gehemmt. Das ist z. B. der Fall, wenn sich ein Auto oder ein Vogel gegenüber Luft bewegen (Bild 7). Ähnlich ist das bei einem Fisch im Wasser oder bei einem Radfahrer, insbesondere wenn er gegen den Wind fährt.
Der jeweilige Stoff (z. B. Luft oder Wasser) und der sich bewegende Körper wirken aufeinander ein. Diese Wechselwirkung führt zu einer Kraft, die die Bewegung hemmt. Man nennt diesen bewegungshemmenden Widerstand Strömungswiderstand, im Falle von Luft auch Luftwiderstand.
Der Strömungswiderstand entsteht vor allem durch eine Wirbelbildung hinter umströmten Körpern, also dann, wenn die Strömung um den Körper verwirbelt ist. Hinweise zu dieser Art der Strömung sind unter dem Thema "Strömende Flüssigkeiten und Gase" zu finden. Die Kraft, die die Bewegung des Körpers hemmt, heißt Strömungswiderstandskraft.

Faktoren, die den Strömungswiderstand beeinflussen
Bei Körpern, die eine Stromlinienform besitzen oder die sich sehr langsam in einer Strömung bewegen, treten kaum Wirbel auf.
Der Strömungswiderstand ist in diesem Fall gering.

Der Strömungswiderstand eines Körpers ist umso größer,

• je größer die Querschnittsfläche des Körpers ist,
• je größer die Strömungsgeschwindigkeit zwischen Körper und umgebendem Stoff ist und
• je größer die Dichte des Stoffes ist.

Er ist auch abhängig von der Form und von der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers. Eckige Formen und raue Oberflächen vergrößern in der Regel den Strömungswiderstand. Bild 8 zeigt die Abhängigkeit des Strömungswiderstandes von der Körperform. Setzt man den Strömungswiderstand bei einem stromlinig geformten Körper mit 1 an, so ist z. B. der Strömungswiderstand bei einer Kugel mit gleicher Querschnittsfläche, gleicher Oberflächenbeschaffenheit und gleicher Strömungsgeschwindigkeit
8-mal so groß.

Berechnung des Strömungswiderstandes
Wir betrachten als Beispiel die Berechnung des Luftwiderstandes. Den Betrag der Strömungswiderstandskraft (man spricht im Falle von Luft von Luftwiderstandskraft oder häufig auch einfach vom Luftwiderstand) kann mit folgender Gleichung berechnet werden:

Die Luftwiderstandszahl ist von der Form und von der Oberflächenbeschaffenheit des jeweiligen Körpers abhängig. Bild 9 zeigt einige Durchschnittswerte. Bei modernen Pkw liegt die Luftwiderstandszahl bei etwa 0,3. Für die Praxis von besonderer Bedeutung ist die Zunahme des Luftwiderstandes mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Das bedeutet: Verdoppelt ein Pkw seine Geschwindigkeit, so vergrößert sich sein Luftwiderstand um das Vierfache. Bei Vergrößerung der Geschwindigkeit um den Faktor 1,4 verdoppelt sich der Luftwiderstand. Er ist somit z. B. bei einer Geschwindigkeit von 140 km/h doppelt so hoch wie bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h.

Darüber hinaus vergrößert sich der Luftwiderstand bei einem Pkw auch, wenn die Fenster geöffnet oder ein Dachgepäckträger montiert sind. Dadurch treten verstärkt Wirbel auf, die eine Vergrößerung der bewegungshemmenden Kraft bewirken. Um mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu fahren, ist dann eine höhere Motorleistung erforderlich, die mit einem höheren Benzinverbrauch verbunden ist.