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Haft- und Gleitreibung

Begriffsdefinition

Reibung ist die Hemmung von Bewegung. Im Kapitel zuvor haben wir die innere Reibung kennen gelernt, die bei der Verformung von Objekten auftritt. Thema dieses Kapitels ist die äußere Reibung, die an den Kontaktflächen von sich berührenden Festkörpern auftritt. Zu unterscheiden ist hierbei zwischen der Haftreibung, bei der keine Bewegung der Körper zueinander stattfindet und der Gleitreibung, bei der sich die Oberflächen relativ zueinander bewegen. Ursache für die auftretenden Kräfte sind molekulare oder ionische Anziehung und die Oberflächenrauheit, welche eine Verzahnung der Oberflächen bewirkt.
Von Haftreibung spricht man, wenn an Körpern Kräfte parallel zur Berührungsfläche angreifen ohne die beiden Körper relativ zueinander zu verschieben. Wird die angreifende Kraftdifferenz größer als die maximale Haftreibungskraft, beginnen sich die Körper relativ zueinander zu verschieben und es wirkt die Gleitreibung. Die maximale Haftreibungskraft ist größer als die durch Gleitreibung hervorgerufene Kraftwirkung.

Reibung in der Praxis

Im vorangegangenen Kapitel haben wir Reibung als unerwünschte Begleiterscheinung beim Rollen von Gegenständen kennen gelernt. Dass Reibung aber auch durchaus erwünscht ist, wird jeder bestätigen, der schon einmal mit normalen Straßenschuhen über Glatteis gelaufen ist. Eine ähnlich unangenehme Erfahrung ist der Versuch einer Vollbremsung auf eisglatter Fahrbahn. Die drastische Verringerung der Reibungskräfte zwischen Autoreifen bzw. Schuhsohle und Erdoberfläche bewirkt, dass die maximalen Beschleunigungswerte ebenfalls wesentlich geringer ausfallen als auf trockener, eisfreier Oberfläche. Um Körper zu beschleunigen (auch Abbremsen entspricht Beschleunigung entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung), müssen Kräfte wirken. Auf der Erdoberfläche wird die beschleunigende Kraft über die Kontaktfläche zwischen Körper und Erdboden übertragen. Wir stoßen uns also laufend an unserem Planeten ab, um uns relativ zu seiner Oberfläche zu bewegen. Um Rutschen (Gleiten) zu vermeiden, darf die beschleunigende Kraft nie größer als die maximale Haftreibungskraft werden. Die Griffigkeit der Oberflächen zueinander wird durch den Haft- und Gleitreibungskoeffizienten beschrieben.

Kräftegleichgewicht

Teilkräfte
Abbildung 2:
Liegt ein Körper auf einer horizontalen Fläche auf, so wirkt seine Gewichtskraft (FG) auf diese Fläche. Da zu jeder Kraft auch eine Gegenkraft wirkt, drückt umgekehrt die Auflagefläche den Körper mit einer vom Betrag her gleiche, aber in der Richtung entgegengesetzten Kraft (FN) nach oben.
Wirkt auf den Körper zusätzlich eine Kraft parallel zur Auflagefläche (F), baut sich dementsprechend eine Kraft entgegengesetzt dazu auf (FH). Ist diese Kraft zu klein, um den Körper in Bewegung zu versetzen, bezeichnet man die Gegenkraft als Haftreibungskraft, kurz Haftreibung. Vergrößert man die auf den Gegenstand wirkende Kraft, so wird die maximal mögliche Haftreibungskraft irgendwann überschritten und dieser beginnt sich parallel zur Auflagefläche zu bewegen. Die maximal mögliche Haftreibung wird als Losbrechkraft bezeichnet. Bewegt sich ein Körper mit konstanter Geschwindigkeit über eine horizontale Fläche, so wirkt der Zugkraft die Gleitreibungskraft entgegen.
Die zwischen zwei Körpern wirkende Reibungskraft hängt im Wesentlichen von den Oberflächenmaterialien, der Oberflächenrauheit (Verzahnung) und der zur Auflagefläche senkrechten Kraft (Normalkraft) ab. Als Maß für die zwischen zwei Flächen wirkenden Reibungskräfte wird der Reibungskoeffizient angegeben. Diese dimensionslose Zahl gibt das Verhältnis zwischen der Kraftkomponente senkrecht zur Auflagefläche und zur Kraftkomponente parallel zur Auflagefläche an.

Dabei gelten folgende Zusammenhänge:

Haftreibung:

[2.6]    

[2.7a]    
oder:
[2.7b]    
oder:
[2.7c]    


Gleitreibung:

[2.8a]    
oder:
[2.8b]    
oder:
[2.8c]    

Dabei bedeutet:
FR,H - Haftreibungskraft, FN - Normalkraft, μH - Haftreibungskoeffizient
FR,Hmax - Maximale Haftreibungskraft (Losbrechkraft)
FR,G - Gleitreibungskraft, μH - Gleitreibungskoeffizient

Anwendungen

Autoreifen müssen in der Praxis für zwei unvereinbare Gegensätze konzipiert werden. In dem Kapitel über die unerwünschte Rollreibung haben wir gelernt, dass Reifen möglichst hart sein sollten, um besagte Reibung zu minimieren. Für die erwünschte Haftreibung gilt jedoch: je weicher um so höher ist der Haftreibungskoeffizient. Eine höhere Haftreibungskraft bewirkt einen kürzeren Bremsweg und auch beim Beschleunigen wird die Kraft über die Reifenfläche übertragen.
Aus den oben angegebenen Formeln geht hervor, dass die Haftreibungskraft unabhängig von der Auflagefläche ist. Warum montiert man dann an Rennwagen möglichst breite Reifen? Weil die breiteren Reifen aus einer weicheren Gummimischung bestehen. Würde man schmale, weiche Reifen montieren, so würden diese auf Grund des Fahrzeuggewichtes stärker durchgeknetet, was - wie wir im Kapitel über die Rollreibung gesehen haben - zu übermäßiger Erwärmung der Reifen führen würde.
Bei Vollbremsungen mit blockierenden oder Kavalierstarts mit durchdrehenden Reifen wirkt die Gleitreibung. Die durch Gleitreibung hervorgerufene Gegenkraft ist den oberen Formeln gemäß unabhängig von der Geschwindigkeit mit der ein Gegenstand über eine Unterlage gezogen wird.
Der Haftreibungskoeffizient von Autoreifen variiert mit dem Untergrund. Auf trockenem Beton beträgt er ca. 0,65, auf nassem Asphalt ca. 0,40 und auf Eis weniger als 0,2!

Beschleunigungsrennen (Drag race)

Völlig unbeeindruckt von der Energiespardebatte widmet sich das Java-Programm auf der folgenden Seite dem Beschleunigungsrennen. Es gilt die Distanz von 402m (1/4 Meile) in möglichst kurzer Zeit zu durchfahren. Mit dem "Gasfuß" - in diesem Fall der "Gasmaus" - gilt es immer nur so viel Leistung freizusetzen, dass die beschleunigende Kraft die maximale Haftreibungskraft nicht überschreitet. Wird zu viel Gas gegeben, so drehen die Räder durch und nur die viel geringere Gleitreibungskraft steht für die Beschleunigung zur Verfügung. Ihr müsst dann vom Gas gehen, damit die Räder wieder "greifen" können.
Je rutschiger der Straßenbelag, um so kleiner muss die Leistung sein, damit das Durchdrehen verhindert wird. Ihr werdet sehen, dass man das Rennen auf den ersten Metern nach dem Start gewinnt oder verliert. Hier ist die beschleunigende Kraft pro entfalteter Leistung am größten. Warum dem so ist, wird im Kapitel über Leistung genauer erklärt.

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