Physik · Klasse 7–8 · aktualisiert
Reibung: Arten, Kräfte und Berechnung
Unterscheide Haft-, Gleit- und Rollreibung und berechne Reibungskräfte mit dem passenden einfachen Modell.
0 von 10 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Reibung wirkt am Kontakt von Körpern. Haftreibung verhindert zunächst das Rutschen und passt sich der Zugkraft bis zu ihrem Höchstwert an. Für Gleit- und Rollreibung gilt im einfachen Modell F_R=\mu F_N; bei Haftreibung liefert \mu_H F_N nur den Höchstwert.
Reibung ist eine Kraft zwischen sich berührenden Körpern. Sie verhindert oder hemmt eine Bewegung – und macht zugleich Gehen, Bremsen und Kurvenfahren möglich. Du lernst hier, Reibungsarten zu unterscheiden und Reibungskräfte im einfachen Festkörpermodell zu berechnen.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
3 Abschnitte
Warum bleibt ein Fahrrad nicht unbegrenzt in Bewegung, wenn du aufhörst zu treten? An Reifen und Lagern wirkt Reibung; dazu bremst die Luft als Strömungswiderstand. Im Schulmodell beeinflussen mikroskopische Unebenheiten und Verformungen, wie Flächen aneinander haften, gleiten oder rollen. Selbst scheinbar glatte Flächen sind im Kleinen uneben. Beim Gleiten kann ein Teil der mechanischen Energie in thermische Energie übergehen. Das merkst du beispielsweise, wenn du deine Hände aneinanderreibst: Sie werden warm.
Definition
Reibungskraft
Reibung entsteht am Kontakt von Körpern. Gleitreibung hemmt das Gleiten, Rollreibung das Rollen. Haftreibung verhindert das drohende Rutschen der Kontaktflächen gegeneinander; sie kann einen gehenden Menschen dadurch vorwärts bewegen.
Merke: Reibung bremst nicht immer einen ganzen Körper. Beim Gehen verhindert Haftreibung gerade das Wegrutschen und ermöglicht dadurch die Vorwärtsbewegung.
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Welche Reibungsart wirkt, hängt davon ab, wie sich die Kontaktflächen relativ zueinander verhalten. Ein Schuh haftet beim normalen Gehen am Boden. Auch beim Beschleunigen, Lenken oder Bremsen eines rollenden Reifens kann an der Kontaktstelle Haftreibung wirken, solange der Reifen nicht rutscht. Ein Buch, das über einen Tisch geschoben wird, und eine Person auf einer Rutsche sind Beispiele für Gleitreibung. Ein Wagen lässt sich meist leichter rollen als ein gleich schwerer Klotz gleitend verschieben. Bei vergleichbarer Last ist Rollreibung häufig kleiner als Gleitreibung. Neben der Festkörperreibung gibt es Strömungswiderstand in Gasen und Flüssigkeiten, etwa Luftwiderstand beim Fahrradfahren. Dafür gelten andere Modelle als für trockene Festkörperreibung.
Definition
Haftreibung
Bei der Haftreibung ruhen die Kontaktflächen relativ zueinander. Die Haftreibung passt sich der angreifenden Kraft an und verhindert zunächst das Losgleiten.
Definition
Gleitreibung
Gleitreibung wirkt, wenn zwei Kontaktflächen gegeneinander gleiten. Sie hemmt die Gleitbewegung.
Definition
Rollreibung
Rollreibung tritt auf, wenn ein Körper auf einer Unterlage abrollt. Verformungen von Rad und Unterlage hemmen das Rollen.
Teste dich
Für den Betrag von Gleit- oder Rollreibung gilt im einfachen Modell trockener Festkörperreibung:
F_R=\mu F_N
Bei Haftreibung beschreibt die Gleichung nur den Höchstwert; die tatsächlich wirkende Haftreibung kann kleiner sein. Dabei ist F_R der Reibungsbetrag in Newton, F_N die Normalkraft in Newton und \mu ein dimensionsloser Koeffizient für das Oberflächenpaar und die Reibungsart. Die Normalkraft wirkt senkrecht zur Kontaktfläche. Auf waagerechter Unterlage gilt ohne weitere senkrechte Kräfte F_N=F_G=mg. Der Koeffizient hängt auch von Oberflächenzustand und Messbedingungen ab.
Haftreibung passt sich bis zu ihrem Höchstwert an: Bleibt eine Kiste bei 5\,\mathrm{N} waagerechter Zugkraft stehen, wirkt 5\,\mathrm{N} Haftreibung entgegengesetzt. Erst am Grenzwert gilt:
F_{H,\max}=\mu_H F_N
Solange die waagerechte Zugkraft höchstens diesen Wert erreicht, kann die Kiste ruhen; oberhalb beginnt sie zu gleiten. Dann verwendest du \mu_G. Häufig ist der Haftreibungsgrenzwert größer als die Gleitreibung beim selben Oberflächenpaar. Rollreibung ist bei vergleichbarer Last oft kleiner als Gleitreibung. Darum ist das Losgleiten häufig schwerer als das Weitergleiten.
Haftreibung hilft beim Gehen, Lenken und Bremsen; Gleitreibung kann das Verschieben erschweren, Rollreibung und Luftwiderstand hemmen das Fahren. Reibung erwärmt und beansprucht Bauteile. Schmierung und Oberflächenzustand beeinflussen den Koeffizienten, Rollen und Lager können die Reibungsart ändern.
Das Modell F_R=\mu F_N beschreibt den Betrag, nicht die Richtung. Kontaktfläche und Geschwindigkeit stehen darin nicht; bei weichen Reifen, veränderten Oberflächen oder Luftwiderstand kann es unzureichend sein. Eine Kiste hat einen Haftreibungsgrenzwert von 40\,\mathrm N. Ziehst du waagerecht mit 30\,\mathrm N und sie bleibt stehen, wirkt eine Haftreibung von 30\,\mathrm N in Gegenrichtung, nicht bereits der Grenzwert.
Beispiel
- 1Ein Stein mit m=5\,\mathrm{kg} gleitet über Holz. Es gelten \mu_G=0{,}7 und näherungsweise g=9{,}81\,\mathrm{m/s^2} an der Erdoberfläche.
- 2Normalkraft auf waagerechter Fläche:
- 3F_N=mg
- 4F_N=5\,\mathrm{kg}\cdot9{,}81\,\mathrm{m/s^2}
- 5F_N=49{,}05\,\mathrm{N}
- 6Gleitreibung:
- 7F_R=\mu_G F_N
- 8F_R=0{,}7\cdot49{,}05\,\mathrm{N}
- 9F_R=34{,}335\,\mathrm{N}
- 10Auf eine Nachkommastelle gerundet beträgt die Gleitreibung F_R\approx34{,}3\,\mathrm{N} entgegen der Bewegung.
Merke: Bestimme zuerst die Normalkraft. Wähle danach den zur Reibungsart und zum Oberflächenpaar passenden Koeffizienten.
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Alles auf einen Blick
Reibung
Wirkung
Reibung kann Bewegung hemmen oder Halt geben
Haftreibung
passt sich bis zum Grenzwert an
Gleitreibung
wirkt beim Gleiten der Kontaktflächen
Rollreibung
hemmt das Rollen und ist oft kleiner als Gleitreibung
Normalkraft
steht senkrecht zur Kontaktfläche
Berechnung
F_R=\mu F_N für Gleit- und Rollreibung; bei Haftreibung nur der Höchstwert
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Gleitreibung eines Übungsblocks
- 1Ein Block mit 4\,\mathrm{kg} Masse gleitet auf einer waagerechten Unterlage. Für dieses Oberflächenpaar sei \mu_G=0{,}25; näherungsweise gilt g=9{,}81\,\mathrm{m/s^2} an der Erdoberfläche.
- 2Ohne weitere senkrechte Kräfte gilt F_N=mg.
- 3F_N=4\,\mathrm{kg}\cdot9{,}81\,\mathrm{m/s^2}
- 4F_N=39{,}24\,\mathrm{N}
- 5Damit folgt F_R=\mu_G F_N.
- 6F_R=0{,}25\cdot39{,}24\,\mathrm{N}
- 7F_R=9{,}81\,\mathrm{N}
- 8Der Gleitreibungsbetrag beträgt 9{,}81\,\mathrm{N} entgegen der Bewegung.
Fehler finden
Haftreibung einer ruhenden Kiste In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile verwechselt den Grenzwert mit der tatsächlichen Kraft. Im Stillstand gleicht die Haftreibung die Zugkraft aus: 18\,\mathrm{N} entgegen der Zugrichtung.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Wenn du waagerecht an einer Kiste ziehst und sie stehen bleibt, wirkt . Beim Gleiten wirkt . Im einfachen Modell hängt der Reibungsbetrag von der ab.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback