Reibung – bremst uns und hält uns
Tauche ein in die Welt der Physik und lerne die Kraft der Reibung kennen! Entdecke, wie sie im Alltag wirkt, welche Arten es gibt, wo sie ihren Ursprung hat und wie sie mit der Masse zusammenhängt. Hat dich schon immer interessiert, was passiert, wenn du deine Hände einreibst, du auf Eis schlittschuhläufst, ein Auto bremst, oder wenn Gegenstände fallen? Und möchtest du mehr über den Strömungswiderstand erfahren? Dann lies weiter und entdecke die faszinierende Kraft, die all dies ermöglicht. Neugierig geworden? Erfahre jetzt mehr dazu!
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Lerntext zum Thema Reibung – bremst uns und hält uns
Reibung im Alltag
Das Verb reiben verwendest du bestimmt sehr oft – zum Beispiel dann, wenn du deine Hände aneinander reibst, oder dann, wenn du dein Gesicht mit Creme einreibst. Doch wusstest du, dass dich die Reibung im physikalischen Sinne in deinem Alltag noch viel häufiger begleitet? Einige Beispiele dazu wollen wir uns im Folgenden ansehen.
Reibung – Definition
In der Physik ist die Reibung als Kraft definiert, die zwischen Körpern oder Teilchen wirkt, die sich berühren und gegeneinander bewegt werden oder werden sollen. Die Reibungskraft wirkt der Kraft entgegen, die die Bewegung hervorruft.
Reibung – einfach erklärt
Anschaulich kannst du dir das so vorstellen: Wenn du eine Kiste über den Boden schieben willst, musst du eine Kraft aufbringen. Wenn die Kiste noch in Ruhe ist, musst du zunächst einen Widerstand überwinden. Das ist die sogenannte Haftreibungskraft. Wenn die Kiste erst einmal in Bewegung ist, dann ist der Widerstand geringer, jedoch wirkt deiner Kraft noch immer eine hemmende Kraft entgegen – das ist die Gleitreibungskraft. Das sind zwei mögliche Arten der Reibung – weitere vernachlässigen wir an dieser Stelle.
Reibung – Entstehung
Doch was ist die Ursache der Reibung? Bleiben wir zum besseren Verständnis bei unserem Beispiel: Sowohl die Kiste als auch der Boden sind nicht vollständig glatt – wenn man sich die Oberflächen unter einem Mikroskop oder mit einer Lupe anschauen würde, könnte man erkennen, dass sie Unebenheiten haben. Die Unebenheiten der Oberflächen von Kiste und Boden verhaken sich ineinander und erschweren die Bewegung der Körper zueinander.
Zusammenhang von Reibung und Masse
Für das oben genannte Beispiel kann man die Reibungskraft $F_R$ folgendermaßen berechnen:
$F_R=\mu \cdot m \cdot g$
In der Formel für die Reibung ist $\mu$ der Reibungskoeffizient. Diesen kann man für verschiedene Materialpaare mithilfe von Büchern oder Datenbanken herausfinden. Für die Haftreibung und die Gleitreibung gibt es unterschiedliche Reibungskoeffizienten. Außerdem hängt die Reibungskraft vom Ortsfaktor $g$ und der Masse $m$ des Körpers ab, der bewegt werden soll. In unserem Fall wäre das die Kiste. An dem mathematischen Zusammenhang siehst du: Je schwerer ein Körper ist, desto größer ist die Reibungskraft, die die Bewegung des Körpers hemmt.
Reibung – Beispiele
Jeder Körper, dessen Oberfläche gegen die eines anderen bewegt wird, erfährt Reibung. Das können zum Beispiel wir selbst sein: Unsere Füße berühren ständig den Boden – die Oberflächen unserer Fuß- oder Schuhsohlen verhaken sich mit der des Bodens. Nur dadurch können wir sicher stehen oder laufen und rutschen nicht weg. Stell dir dazu ein Gegenbeispiel vor: Du stehst mit Schlittschuhen auf dem Eis. Die Reibung ist nun deutlich geringer. Das Stillstehen fällt schwerer und laufen könntest du nur noch mit sehr viel Mühe – vielmehr gleitest du über das Eis.
Die hemmende Wirkung der Reibung führt auch dazu, dass Gegenstände abgebremst werden. Die Reibung ist der Grund dafür, dass alle Körper, die sich über eine Oberfläche bewegen, irgendwann zum Stillstand kommen. Wenn du zum Beispiel eine Kugel über den Boden rollst, dann bleibt sie nach einer Weile stehen. Das liegt daran, dass auch hier eine Reibungskraft wirkt. Zu Beginn der Bewegung übst du eine Kraft auf die Kugel aus: Diese ist größer als die Reibungskraft und die Kugel bewegt sich. Danach übst du keine Kraft mehr auf die Kugel aus und sie wird durch die entgegenwirkende Reibungskraft abgebremst. Die Bewegungsenergie geht dabei aber nicht verloren – sie wird in Wärmeenergie umgewandelt. Das kannst du dir besser anhand eines bremsenden Autos vorstellen. Zwischen den Rädern und der Straße entsteht dabei eine große Reibung. Nach dem Bremsvorgang sind die Räder sehr heiß.
Strömungswiderstand
Reibung gibt es nicht nur zwischen Körpern, sondern auch zwischen Teilchen oder zwischen Körpern und Teilchen. Bewegt sich zum Beispiel ein Körper durch ein Medium, also durch eine Flüssigkeit oder ein Gas, dann trägt die auftretende Reibung zum sogenannten Strömungswiderstand bei. Bewegt sich ein Körper, zum Beispiel ein Flugzeug, durch die Luft, dann spricht man auch vom Luftwiderstand.
Der Luftwiderstand führt unter anderem dazu, dass fallende Gegenstände abgebremst werden. Wirfst du zum Beispiel einen Apfel von einem hohen Turm, dann wird er nicht unendlich schnell. Der Gewichtskraft, die dazu führt, dass der Apfel fällt, wirkt der Luftwiderstand entgegen und der Apfel erreicht nach einer gewissen Zeit eine konstante Endgeschwindigkeit.
Außerdem ist der Luftwiderstand die Ursache dafür, dass eine Feder langsamer zu Boden fällt als ein Hammer. Zwar werden sie gleich stark zur Erde hin beschleunigt (Erdbeschleunigung), aber die Feder erfährt einen größeren Luftwiderstand und wird stärker abgebremst. Was passiert aber, wenn man Feder und Hammer dort fallen lässt, wo es keine Atmosphäre gibt, zum Beispiel auf dem Mond? Das würde bedeuten, dass es keine Teilchen gibt, an denen die Gegenstände reiben würden. Feder und Hammer fallen gleich schnell zu Boden.
Das ist übrigens auch der Grund dafür, dass Meteoriten bei Eintritt in die Erdatmosphäre verglühen. Anders als im Weltall erfahren sie hier einen Luftwiderstand und werden abgebremst. Die Bewegungsenergie wird auch hier in Wärmeenergie umgewandelt und es entstehen hohe Temperaturen.
Reibung – Zusammenfassung
In diesem Video lernst du die Reibung kennen. Was ist Reibung? Welche Arten von Reibung gibt es? Wo begegnet sie uns im Alltag? All diese Fragen werden anhand von Beispielen geklärt. Dein Wissen kannst du anhand von interaktiven Übungen vertiefen.
Reibung – bremst uns und hält uns Übung
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Finde die Situationen mit Reibung.
TippsWarum drehen Autoreifen auf Eis sehr schnell durch?
Funktioniert ein Fallschirm auf dem Mond?
Raketen fliegen durch ihren Rückstoß.
LösungIn einer Welt ohne Reibung wäre alles sehr rutschig. Beim Laufen könnten wir uns nicht mehr vom Boden nach vorne drücken und auch beim Autofahren würden die Reifen einfach durchdrehen und wir könnten uns keinen Meter bewegen. Schlittenfahren wäre noch möglich, zumindest solange, wie wir auf einem Berg stehen, den wir hinunter fahren könnten. Aber anhalten ohne Reibung könnten wir auch kaum.
Wir könnten uns noch mithilfe des Rückstoßprinzips fortbewegen, so wie auch Raketen oder Flugzeugtriebwerke nach vorne gedrückt werden. Mit einem Fallschirm aus dem Flugzeug zu springen wäre in einer Welt ohne Reibung allerdings auch keine gute Idee, denn ohne den Luftwiderstand könnte der Fallschirm uns nicht bremsen.
Auch das Cello könnte man ohne Reibung nicht mehr spielen, denn wenn der Bogen die Saiten nicht durch die Reibung mitziehen kann, dann kann er sie auch nicht in Schwingung versetzen. Trommeln könnte man aber noch.
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Nenne die Abhängigkeiten des Reibungskoeffizienten.
TippsEin rollender Gegenstand verspürt weniger Reibung als ein Gegenstand, der gleitet.
In Motoren nutzt man Motoröl, damit Metallteile leichter aufeinander reiben können.
LösungDer Reibungskoeffizient beschreibt, wie gut verschiedene Flächen übereinander gleiten können. Weil das Material die Reibung sehr stark beeinflusst, kann man über glattes Eis sehr gut rutschen, aber nicht so gut über einen Holzboden. Auch die Beschaffenheit der Oberflächen beeinflusst den Reibungskoeffizienten stark. Wenn der Holzboden geschliffen ist, geht das Rutschen beispielsweise schon viel besser. Auch eine vorhandene Schmierung verringert die Reibung. In einem Motor wird beispielsweise Motoröl verwendet, damit Motorenteile leicht übereinander reiben können.
Auch die Art der Bewegung verändert den Reibungskoeffizienten. Bevor ein Gegenstand überhaupt in Bewegung versetzt wird, ist seine Reibung durch die Haftung beispielsweise größer, als wenn er bereits gleitet. Am geringsten ist die Reibung jedoch, wenn ein Gegenstand rollt.
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Erkläre die Reibung.
TippsDie Stärke der Reibungskraft hängt stark von der Art der Bewegung ab.
LösungDie Reibungskraft wirkt, wenn man einen Gegenstand über eine Fläche bewegen möchte. Nach der Formel $F_\text{Reibung}=\mu\cdot F_\text{Anpresskraft}$ ist sie proportional zur Anpresskraft, die den Gegenstand auf die Fläche drückt. Bei der Reibungskraft unterscheidet man je nach der Art der Bewegung zwischen der Haftreibung, die man überwinden muss, um die Haftung zu überwinden und einen Gegenstand loszuschieben. Befindet sich der Gegenstand dann erst einmal in Bewegung, wirkt nur noch die Gleitreibung, die meist deutlich kleiner ist als die Haftreibung. Wenn ein Gegenstand rollt, wirkt hingegen die Rollreibung, die noch einmal geringer ist als die Gleitreibung.
Der Strömungswiderstand ist eine besondere Form der Reibung. Er tritt auf, wenn sich ein Gegenstand schnell durch eine Flüssigkeit oder ein Gas bewegt.
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Bestimme die Reibungskraft.
TippsLösungDie Rollreibung ist deutlich geringer als die Gleitreibung oder die Haftreibung. In diesem Beispiel ist sie um das sechzigfache geringer als die Haftreibung. Setzt man die Gewichtskraft des Autos mit dem passenden Reibungskoeffizienten in die Formel ein, dann erhält man für das rollende Auto eine Reibungskraft von $F_{Rollreibung}=\mu_{Rollen}\cdot F_g=0,015\cdot 15000\text{ N}=225\text{ N}$. Versucht man hingegen, das Auto mit angezogener Handbremse in Bewegung zu versetzen, benötigt man eine Kraft von $F_{Haftreibung}=\mu_{Haften}\cdot F_g=0,9\cdot 15000\text{ N}=13500\text{ N}$.
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Nenne die Ursache für die Bewegung des Eiswürfels.
TippsDie Reibungskraft verringert sich zwar, wenn das Gewicht sinkt, aber die Hangabtriebskraft ebenfalls.
Wasser ist ein gutes Schmiermittel.
LösungDas Wasser des schmelzenden Eiswürfels wirkt wie ein Schmiermittel zwischen dem Eis und der Oberfläche, dies reduziert die Haftung des Eises. Die Haftreibung des Würfels wird dann schließlich kleiner als die Hangabtriebskraft, die den Eiswürfel bergab zieht und der Würfel beginnt zu rutschen.
Zwar verringerte sich auch das Gewicht des Eiswürfels durch das Schmelzen, aber dies allein würde den Würfel nicht ins Rutschen bringen, da sich die Hangabtriebskraft mit dem Gewicht ebenso stark verringert.
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Bestimme die Reibungskoeffizienten.
TippsDie Rollreibung ist deutlich geringer als die Gleitreibung.
Die Reibung von Gold auf Gold ist überraschend hoch.
Der Reibungskoeffizient $\mu$ bestimmt nach $F_{Reibung}=\mu F_{Anpress}$ die Stärke der Reibungskraft.
LösungWeil die Reibungskraft stark von der Oberflächenbeschaffenheit abhängt, variiert der Reibungskoeffizient auch bei den gleichen Materialien stark. Deshalb kann man hier nur einen ungefähren Richtwert angeben.
Wenn Stahl über Stahl rollt wie bei einem Eisenbahnrad, beträgt der Rollreibungskoeffizient etwa $\mu=0,001$. Rollt hingegen ein Autoreifen durch lockeren Sand, dann beträgt der Rollreibungskoeffizient etwa $\mu=0,3$. Dies ist der Grund, warum Sand hochspritzt, wenn ein Autoreifen im Sand durchdreht.
Schlittschuhe gleiten fast mühelos über das Eis, weil der Gleitreibungskoeffizient hier nur $\mu=0,01$ beträgt. Deutlich höher ist die Reibung, wenn Ziegel oder Steine aufeinanderreiben. Der Gleitreibungskoeffizient beträgt dann $\mu=0,5-0,8$. Mit $\mu=2,5$ haben zwei übereinanderreibende Goldschichten eindeutig den größten Reibungskoeffizienten. Es ist also schwieriger zwei Goldbarren übereinander zu schieben, als einen Goldbarren anzuheben.
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