Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Physik, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Reibung begegnet Dir beim Gehen, Fahrradfahren, Bremsen und Verschieben von Gegenständen. Sie entsteht an Berührungsflächen und wirkt einer möglichen oder tatsächlichen Relativbewegung entgegen. Im Schulunterricht unterscheidest Du vor allem Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung.

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Nach diesem aiMOOC kannst Du die drei Reibungsarten unterscheiden, Reibungskräfte im einfachen Modell berechnen und Reibung in Alltag und Technik beurteilen.

Grundidee der Reibung

Auch scheinbar glatte Oberflächen besitzen kleine Unebenheiten. Beim Kontakt können sich diese Unebenheiten verhaken. Zusätzlich wirken Anziehungskräfte zwischen den Oberflächen. Dadurch entsteht eine Kraft, die eine Bewegung hemmt oder verhindert.

Die Reibungskraft wirkt parallel zur Kontaktfläche. Ihre Richtung ist der Bewegung oder der beabsichtigten Bewegung entgegengesetzt. Bei Gleit- und Rollvorgängen wird ein Teil der mechanischen Energie in thermische Energie umgewandelt. Deshalb können sich Oberflächen erwärmen.

Ein Streichholz zeigt die Energieumwandlung besonders deutlich: Durch Reibung entsteht Wärme, die den Zündvorgang ermöglicht.

Kräfte und Formel

Im vereinfachten Schulmodell gilt für den Betrag einer Reibungskraft:

$F_{\mathrm{R}}=\mu \cdot F_{\mathrm{N}}$

Dabei ist:

1. $F_{\mathrm{R}}$: Betrag der Reibungskraft in Newton
2. $F_{\mathrm{N}}$: Normalkraft, also die senkrechte Anpresskraft
3. $\mu$: Reibungskoeffizient oder Reibungszahl ohne Einheit

Auf einer waagerechten Fläche gilt ohne weitere senkrechte Kräfte:

$F_{\mathrm{N}}=F_{\mathrm{G}}=m\cdot g$

Der Reibungskoeffizient hängt von den beteiligten Materialien und vom Zustand der Oberflächen ab. Nässe, Schmierung, Verschmutzung und Verformung können die Reibung verändern.

Haftreibung

Haftreibung wirkt, solange sich die Kontaktflächen nicht gegeneinander bewegen. Sie passt sich der angreifenden Kraft an und verhindert zunächst das Losgleiten.

Beispiel: Du schiebst leicht gegen eine schwere Kiste. Die Kiste bleibt stehen, weil die Haftreibungskraft Deine Schubkraft ausgleicht.

Die Haftreibung kann nur bis zu einem Höchstwert anwachsen:

$F_{\mathrm{H},\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}={\mu }_{\mathrm{H}}\cdot F_{\mathrm{N}}$

Wird dieser Höchstwert überschritten, beginnt der Körper zu gleiten. Die dafür nötige Kraft wird häufig Losbrechkraft genannt.

Haftreibung ist im Alltag oft erwünscht. Sie ermöglicht das Gehen, Greifen, Anfahren, Lenken und das Rollen eines Rades ohne Durchdrehen.

Gleitreibung

Gleitreibung tritt auf, wenn zwei Kontaktflächen gegeneinander gleiten. Sie wirkt entgegen der Relativbewegung.

Im vereinfachten Modell gilt:

$F_{\mathrm{G}}={\mu }_{\mathrm{G}}\cdot F_{\mathrm{N}}$

Der Gleitreibungskoeffizient ${\mu }_{\mathrm{G}}$ ist bei vielen Materialpaarungen kleiner als der Haftreibungskoeffizient. Deshalb ist es häufig schwieriger, eine Kiste in Bewegung zu setzen, als sie anschließend gleichmäßig weiterzuschieben.

Das Diagramm zeigt den typischen Übergang: Die Haftreibung wächst bis zu ihrem Höchstwert. Nach dem Losgleiten ist die Gleitreibung meist kleiner.

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Gleitreibung kann nützlich sein, etwa beim Radieren oder beim Bremsen mit blockierendem Rad. Häufig verursacht sie jedoch Erwärmung und Verschleiß.

Rollreibung

Rollreibung oder Rollwiderstand tritt auf, wenn ein Rad, eine Kugel oder eine Rolle über eine Unterlage rollt. Sie entsteht vor allem durch Verformungen von Rad und Untergrund.

Im vereinfachten Schulmodell kann geschrieben werden:

$F_{\mathrm{R}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{l}}={\mu }_{\mathrm{R}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{l}}\cdot F_{\mathrm{N}}$

Unter vergleichbaren Bedingungen ist Rollreibung meist deutlich kleiner als Gleitreibung. Deshalb lassen sich schwere Gegenstände auf Rollen leichter bewegen als durch Schieben.

Ein Kugellager ersetzt einen großen Teil der Gleitbewegung durch Rollbewegung und verringert dadurch Reibungsverluste.

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Vergleich der drei Reibungsarten

Reibungsart	Zustand der Kontaktflächen	Typisches Beispiel	Typische Stärke
Haftreibung	Keine Relativbewegung	Schuh haftet auf dem Boden	Bis zu einem Höchstwert
Gleitreibung	Flächen gleiten gegeneinander	Kiste rutscht über den Boden	Meist kleiner als maximale Haftreibung
Rollreibung	Körper rollt über eine Unterlage	Fahrradreifen rollt auf der Straße	Meist deutlich kleiner als Gleitreibung

Als typische Schulregel gilt unter vergleichbaren Bedingungen:

$F_{\mathrm{H},\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}>F_{\mathrm{G}}>F_{\mathrm{R}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{l}}$

Diese Reihenfolge ist eine nützliche Näherung. In realen Situationen können Material, Temperatur, Verformung, Schmierung und Geschwindigkeit das Ergebnis beeinflussen.

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Reibung auf der schiefen Ebene

Auf einer schiefen Ebene zieht die Hangabtriebskraft einen Körper nach unten. Solange die Haftreibung diese Kraft ausgleichen kann, bleibt der Körper liegen. Wird die maximale Haftreibung überschritten, beginnt er zu gleiten.

Dieses Beispiel verbindet Reibung mit Kräftezerlegung, Gewichtskraft und Normalkraft.

Reibung im Alltag und in der Technik

Reibung ist weder grundsätzlich gut noch grundsätzlich schlecht. Entscheidend ist, ob sie in einer Situation erwünscht ist.

1. Erwünschte Reibung: Schuhsohlen haften am Boden, Reifen übertragen Kräfte, Bremsen verzögern Fahrzeuge und Hände halten Gegenstände fest.
2. Unerwünschte Reibung: Lager erwärmen sich, Maschinenteile verschleißen und Fahrzeuge benötigen zusätzliche Energie.
3. Reibung vergrößern: raue Profile, griffige Materialien oder eine größere Normalkraft verwenden.
4. Reibung verkleinern: Rollen, Kugellager, glatte Oberflächen oder geeignete Schmiermittel einsetzen.

Das Profil einer Schuhsohle kann die Haftung auf bestimmten Untergründen verbessern.

Bei einer Bremse wird Reibung gezielt genutzt, um Bewegungsenergie in Wärme umzuwandeln.

Beispielrechnung

Eine Kiste mit der Masse $m=10\mathrm{k}\mathrm{g}$ gleitet auf einer waagerechten Fläche. Der Gleitreibungskoeffizient beträgt ${\mu }_{\mathrm{G}}=\mathrm{0,30}$. Mit $g=\mathrm{9,81}\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}$ gilt:

$F_{\mathrm{N}}=m\cdot g=10\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot \mathrm{9,81}\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}=\mathrm{98,1}\mathrm{N}$

$F_{\mathrm{G}}={\mu }_{\mathrm{G}}\cdot F_{\mathrm{N}}=\mathrm{0,30}\cdot \mathrm{98,1}\mathrm{N}\approx \mathrm{29,4}\mathrm{N}$

Um die Kiste mit konstanter Geschwindigkeit zu ziehen, muss die Zugkraft im einfachen Modell ebenfalls etwa $\mathrm{29,4}\mathrm{N}$ betragen.

Sicher experimentieren

Für Schulversuche eignen sich ein Holzklotz, verschiedene Unterlagen, Rollen und ein Federkraftmesser. Ziehe langsam und gleichmäßig. Sichere schwere Gegenstände gegen Herunterfallen und führe keine Reibungsversuche mit offenem Feuer ohne Lehrkraft durch.

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Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Reibungsart verhindert zunächst das Losgleiten einer Kiste? (Haftreibung) (!Gleitreibung) (!Rollreibung) (!Luftreibung)

Wann tritt Gleitreibung auf? (Wenn sich zwei Kontaktflächen gegeneinander verschieben) (!Wenn ein Körper ohne Kontakt fällt) (!Wenn ein Körper vollständig ruht und keine Kraft wirkt) (!Wenn Licht an einer Fläche reflektiert wird)

Welche Reibungsart ist unter vergleichbaren Bedingungen meist am kleinsten? (Rollreibung) (!Maximale Haftreibung) (!Gleitreibung) (!Seilspannung)

In welche Richtung wirkt die Gleitreibungskraft? (Entgegen der Relativbewegung) (!Senkrecht von der Fläche weg) (!Immer nach unten) (!Immer in Bewegungsrichtung)

Welche Größe wirkt senkrecht zur Kontaktfläche? (Normalkraft) (!Gleitreibungskraft) (!Rollreibungskraft) (!Geschwindigkeit)

Welche Einheit hat die Reibungskraft? (Newton) (!Kilogramm) (!Joule pro Sekunde) (!Meter)

Was beschreibt der Reibungskoeffizient? (Die Eigenschaften der beteiligten Kontaktflächen) (!Die Länge des zurückgelegten Weges) (!Die Dauer der Bewegung) (!Die Temperatur des Raumes allein)

Warum erleichtern Rollen den Transport einer Kiste? (Weil Rollreibung meist kleiner als Gleitreibung ist) (!Weil die Masse der Kiste verschwindet) (!Weil keine Normalkraft mehr wirkt) (!Weil die Gewichtskraft nach oben zeigt)

Was geschieht häufig mit mechanischer Energie bei Gleitreibung? (Sie wird teilweise in thermische Energie umgewandelt) (!Sie wird vollständig vernichtet) (!Sie wird ausschließlich zu Lageenergie) (!Sie vergrößert immer die Masse)

Wann beginnt ein ruhender Körper zu gleiten? (Wenn die maximale Haftreibung überschritten wird) (!Wenn die Normalkraft immer null ist) (!Wenn die Gleitreibung unendlich groß wird) (!Wenn keine äußere Kraft wirkt)

Memory

Haftreibung	Verhindert zunächst das Gleiten
Gleitreibung	Wirkt bei gegeneinander verschobenen Flächen
Rollreibung	Wirkt beim Rollen auf einer Unterlage
Normalkraft	Wirkt senkrecht zur Kontaktfläche
Reibungskoeffizient	Dimensionslose materialabhängige Zahl
Losbrechkraft	Überwindet die maximale Haftreibung
Kugellager	Ersetzt Gleiten weitgehend durch Rollen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Haftreibung	Ein Schuh rutscht beim normalen Gehen nicht
Gleitreibung	Eine Kiste wird über den Boden geschoben
Rollreibung	Ein Fahrradreifen rollt auf der Straße
Erwünschte Reibung	Eine Bremse verzögert ein Fahrzeug
Unerwünschte Reibung	Ein Maschinenteil erwärmt sich und verschleißt

Kreuzworträtsel

Haftreibung	Welche Reibungsart verhindert das anfängliche Rutschen?
Gleitreibung	Welche Reibungsart wirkt bei verschobenen Kontaktflächen?
Rollreibung	Welche Reibungsart wirkt an einem rollenden Rad?
Normalkraft	Welche Kraft wirkt senkrecht zur Kontaktfläche?
Kugellager	Welches Bauteil nutzt rollende Kugeln zur Reibungsminderung?
Reibungszahl	Welche dimensionslose Größe beschreibt ein Materialpaar?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die verhindert zunächst das Gleiten eines Körpers. Die Haftreibung kann nur bis zu einem anwachsen. Beim Gleiten wirkt die entgegen der Relativbewegung. Beim Rollen wirkt die der Bewegung entgegen. Die Kraft senkrecht zur Kontaktfläche heißt . Die materialabhängige Zahl wird genannt. Reibungskräfte werden in angegeben. Ein Kugellager verringert Reibungsverluste durch den Übergang vom Gleiten zum . Bei Gleitreibung wird ein Teil der mechanischen Energie in umgewandelt. Unter vergleichbaren Bedingungen ist die Rollreibung meist als die Gleitreibung.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Reibungstagebuch: Sammle an einem Tag sechs Beispiele für Reibung und ordne sie Haft-, Gleit- oder Rollreibung zu.
2. Bildanalyse: Fotografiere drei sichere Alltagssituationen mit Reibung und beschrifte die wirkenden Kräfte.
3. Oberflächenvergleich: Ziehe einen Radiergummi über Papier, Holz und Stoff und beschreibe die Unterschiede.
4. Erklärplakat: Gestalte ein Plakat mit je einem Beispiel für Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung.

Standard

1. Federkraftmesser: Bestimme mit einem Federkraftmesser die Losbrechkraft und die Gleitreibungskraft eines Körpers.
2. Rollenversuch: Vergleiche die Zugkraft beim Schieben und beim Transport desselben Körpers auf Rollen.
3. Schiefe Ebene: Ermittle den Winkel, bei dem ein Körper zu rutschen beginnt, und erkläre das Ergebnis.
4. Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video, das die drei Reibungsarten mit eigenen Versuchen zeigt.

Schwer

1. Reibungskoeffizient: Bestimme experimentell einen Gleitreibungskoeffizienten und diskutiere Messunsicherheiten.
2. Bremsweg: Entwickle ein Modell, das den Einfluss unterschiedlicher Haftung auf den Bremsweg erklärt.
3. Produktentwicklung: Entwirf eine Schuhsohle für trockenen und nassen Untergrund und begründe die Profilwahl.
4. Energieanalyse: Untersuche, wo bei einem Fahrrad Reibungsverluste auftreten und schlage technische Verbesserungen vor.

Lernkontrolle

1. Kistenproblem: Erkläre, warum zum Anziehen einer schweren Kiste zunächst mehr Kraft nötig sein kann als zum gleichmäßigen Weiterschieben.
2. Sicheres Gehen: Beurteile, wie Nässe, Schuhprofil und Untergrund die Rutschgefahr verändern.
3. Transportplanung: Entscheide, ob eine Last besser geschoben, gezogen oder auf Rollen transportiert wird, und begründe Deine Wahl physikalisch.
4. Fahrradbremse: Beschreibe die Energieumwandlung beim Bremsen und erkläre, warum Bauteile warm werden können.
5. Messdaten auswerten: Skizziere einen typischen Kraftverlauf vom ruhenden bis zum gleitenden Körper und kennzeichne Haft- und Gleitreibung.
6. Modellkritik: Erkläre, warum die Formel $F_{\mathrm{R}}=\mu \cdot F_{\mathrm{N}}$ ein nützliches, aber vereinfachtes Modell ist.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du:

1. die drei Reibungsarten sicher unterscheiden,
2. die Richtung einer Reibungskraft begründen,
3. Normalkraft und Reibungskoeffizient erklären,
4. einfache Reibungskräfte mit $F_{\mathrm{R}}=\mu \cdot F_{\mathrm{N}}$ berechnen,
5. Messwerte aus einem Reibungsversuch auswerten,
6. erwünschte und unerwünschte Reibung beurteilen,
7. eine technische Anwendung wie Bremse, Reifen oder Kugellager erklären.

OERs zum Thema

1. LEIFIphysik: Haft-, Gleit- und Rollreibung
2. Wikimedia Commons: Freie Medien zur Reibung

Verknüpfte Lernbereiche

Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung - Physik Kraft Normalkraft Gewichtskraft Reibungskraft Mechanische Energie Thermische Energie Schiefe Ebene Kugellager Bremsweg