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Rollreibung

Begriffsdefinition

Reibung ist die Hemmung von Bewegung.
Rollreibung ist die hemmende Kraftwirkung, die beim schlupffreien Rollen eines Körpers auf einer Unterlage auftritt. Hervorgerufen wird diese Kraft durch die Verformung des rollenden Körpers beziehungsweise der Unterlage.

[2.5]    

Dabei bedeutet:
FR - Rollreibungskraft, cR - Rollwiderstandskoeffizient, FN - Normalkraft (Auflagekraft)

Praktische Bedeutung

Ihr habt schon einmal mit Knetmasse gespielt? Dann wird euch sicher bekannt sein, dass diese recht hart ist, wenn ihr sie anfangs in die Hand nehmt. Ihr müsst euch schon anstrengen, um die Masse durchkneten zu können. Erst nach mehrmaligem Umformen wird die Knetmasse zunehmend geschmeidiger und leichter zu drücken. Ihr werdet dabei auch feststellen, dass sich die Knete dabei erwärmt und diese Erwärmung umso stärker ist, je intensiver und schneller ihr die Masse verformt. Die Ursache für diese Erwärmung liegt in der inneren Reibung. Wenn ihr Druck auf die Knetmasse ausübt, verschiebt ihr dabei die Moleküle gegeneinander. Die Auswirkung solcher Verschiebungen könnt ihr recht einfach feststellen, wenn ihr eure Handflächen aneinander reibt, was nichts anderes bedeutet, als dass ihr die Moleküle eurer Hautoberflächen gegeneinander verschiebt. Ihr werdet bemerken, dass sich eure Handinnenflächen dabei erwärmen. Durch Reibung wird also mechanische Energie (=Bewegung) in Wärmeenergie umgewandelt.
Dass beim Rollen von Körpern Verformungen auftreten, ist bei Autoreifen gut zu beobachten und zwar um so besser, je weniger Reifeninnendruck vorhanden ist. Je weniger ein Reifen "aufgepumpt" ist, um so stärker ist dieser auf der Unterseite abgeflacht, während die obere Reifenhälfte kreisrund bleibt. Rollt das Auto, so befindet sich jeder Punkt der Reifenoberfläche abwechselnd auf der oberen beziehungsweise unteren Reifenhälfte. Wie die anfangs erwähnte Knetmasse wird das Material des Reifens somit ständig verformt. Ein Fahrrad oder Auto mit platten Reifen lässt sich nur erheblich schwerer Schieben als Fahrzeuge mit schön rund aufgepumpten Pneus. Es wird halt zusätzliche Energie benötigt, um diese Reibung zu überwinden.
Rollreibung durch Verformung eines Reifens
Abbildung 1:

Verformter Autoreifen

Beim Rollen befinden sich die farblich markierten Punktpaare abwechselnd auf der oberen beziehungsweise unteren Reifenhälfte. Da der Reifen unten abgeflacht ist, ändert sich der Abstand der beiden Punkte eines Paares zueinander ständig. Auf nebenstehendem Bild sind die beiden pinkfarbenen Punkte dichter beieinander als die blauen und grünen. Es ist somit ersichtlich, dass das Reifenmaterial durchgeknetet wird.

Nicht nur der Reifen rollt

und nicht nur der Reifen verformt sich! Nehmt ihr eine Stahlkugel und lasst diese über eine Gummiunterlage rollen, so werdet ihr sehen, dass sich in diesem Fall die Unterlage stärker verformt als der rollende Körper. Prinzipiell verformen sich aber immer Unterlage und rollender Gegenstand. Selbst eine auf einer Glasplatte rollende Glaskugel ist nicht frei von Rollreibung. Die Verformungen sind lediglich mit bloßem Auge nicht feststellbar, weil diese um so geringer ausfallen, je härter das Material ist. Prinzipiell ist Rollreibung geringer als die später noch zu behandelnde Gleitreibung. Daher setzt man zur Verringerung von Reibungsverlusten Kugellager aus hartem Material (meist Stahl, in Spezialfällen Keramik) ein. Kugellager findet man daher im Auto in den Radlagern, im Getriebe und Motor. Die Güte des Radlagers könnt ihr beurteilen, indem ihr das Auto mit dem Wagenheber anhebt und das freie Rad in Rotation versetzt. Je länger dieses nach einem "Schubser" weiter rotiert, um so reibungsärmer funktioniert das Lager.
Auf der folgenden Seite findet ihr ein Java-Programm, das die Verformung eines Autoreifens beim Rollvorgang veranschaulicht. Graphisch dargestellt wird der Abstand eines Punktpaares zwischen Felge und Reifenoberfläche. Zu sehen ist, dass die Verformung um so stärker ausfällt, je geringer der Reifendruck ist. Der Graph zeigt, dass der Reifen dabei nicht nur gestaucht, sondern auch gedehnt wird. Der Abstand wird teilweise größer als der Normalabstand im runden (=oberen) Reifenteil.
Vergrößert die Ansicht und beobachtet, wie die äußeren Punkte teilweise über die Straße rutschen. Zur Kenntlichmachung dieses Sachverhaltes sind auf der Straße Linien angebracht. Reifen werden also ganz schön beansprucht und diese Materialbeanspruchung steigt bei Reifen mit zu niedrigem Innendruck enorm an. Die Folge davon ist eine zunehmende Erwärmung des Materials bis hin zum Schmelzen (="Reifenplatzer").

Warum macht man Reifen dann nicht möglichst hart?

Weil Reibung auch nützlich sein kann! Mehr dazu gibt es auf der übernächsten Seite im Kapitel zur Haft- und Gleitreibung zu lesen.

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