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Haftreibung
Haftreibung oder Ruhereibung (auch Haftkraft oder Haftreibungskraft) ist eine Kraft, die das Gleiten sich berührender Körper verhindert.
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Bedeutung und Definition
Haftreibung, auch Ruhereibung, Haftkraft oder Haftreibungskraft genannt, ist eine Kraft, die das Gleiten sich berührender Körper verhindert. Zwei Körper haften, wenn die Haftreibung ausreicht, um eine Relativbewegung ihrer Oberflächen zu verhindern. Zum Haften kann auch Kriechen gehören, also das allmähliche Verformen der zusammengefügten Teile.
Haftreibung verbindet Körper durch Kraftschluss: Die Verbindung entsteht durch die wirkenden Kräfte. Davon unterscheidet sich der Stoffschluss, wie er etwa beim Kleben entsteht. Dabei werden mehrere Körper zu einem Körper verbunden, der aus mehreren Stoffen besteht. In der Fahrzeugtechnik heißt Haftreibung auch Losbrechwiderstand oder Losbrechkraft. Bei Fahrzeugreifen wird die Grenze der maximal übertragbaren Haftreibung als Haftgrenze bezeichnet.
Kräfte und Haftgrenze
Haftreibung tritt auf, wenn sich zwei Körper berühren und eine äußere Kraft F die Kontaktfläche parallel beziehungsweise auf Scherung belastet. Darauf baut sich eine entgegengesetzte, betragsgleiche Haftkraft F_H auf, die die Relativbewegung verhindert.
Wenn die Scherkraft steigt, wächst zunächst auch die Haftkraft. Das gilt jedoch nur bis zu einem Grenzwert, der kritischen Haftreibungskraft F_H^krit. Bei bestehender Haftung gilt:
|F| = |F_H| ≤ |F_H^krit.|
Überschreitet die Scherkraft die Haftreibungsgrenze, kann die Haftkraft sie nicht mehr vollständig ausgleichen. Es bleibt eine resultierende Kraft F_res, die den Körper beschleunigt:
|F| = |F_H^krit.| + |F_res| > |F_H^krit.|
Sobald der Körper in Bewegung ist, wirkt keine Haftreibung mehr. Stattdessen wirkt Gleitreibung F_R entgegen der Gleitbewegung. Sie ist im Allgemeinen geringer als die kritische Haftreibungskraft. Bei einer unbeschleunigten, gleichförmigen Gleitbewegung gilt:
|F| = |F_R| < |F_H^krit.|
Ein schneller Wechsel zwischen Haften und Gleiten kann Schwingungen anregen. Beispiele sind eine quietschende Tür oder quietschende Bremsen. Dieser Wechsel, der Stick-Slip-Effekt, wird im Artikel außerdem als Ursache von Erdbeben genannt.
Berechnung der maximalen Haftreibung
Haftreibung hängt stark von den Materialeigenschaften und der Beschaffenheit der Oberflächen ab. Deshalb lässt sie sich durch einfache physikalische Gesetzmäßigkeiten nur näherungsweise beschreiben.
Die maximale Haftreibung F_H^krit. ist proportional zur Normalkraft F_N. Die Normalkraft ist die Kraft senkrecht zur Kontaktfläche, die der Anpresskraft entgegenwirkt. Bei einer Kiste auf einer ebenen Fläche ist die Anpresskraft beispielsweise die Gewichtskraft F_G. Für die maximale Haftreibung gilt:
|F_H^krit.| = μ_H · |F_N|
Die Proportionalitätskonstante μ_H heißt Haftreibungskoeffizient oder Haftreibungszahl. Ihre Werte hängen von den beteiligten Materialien und Oberflächen ab und werden in Tabellen angegeben.
Nach dieser Näherung ist die maximale Haftreibung unabhängig von der Größe der Kontaktfläche A. Bei zunehmendem Anpressdruck steigt die übertragbare Scherspannung allerdings nur bis zur Fließgrenze an. Die Formel beschreibt daher ein vereinfachtes Modell und nicht jedes reale Reibungsverhalten.
Abgrenzung und besondere Materialien
Reibung wird üblicherweise als dissipativer, also energiezehrender Prozess verstanden. Dabei wird kinetische Energie unter Zunahme der Entropie in Wärme umgewandelt. Bei Haftreibung ist dies im Allgemeinen anders: Eine Kraft, die keine Bewegung des Körpers verursacht, verrichtet keine Arbeit. Deshalb kritisieren manche Physikdidaktiker die Bezeichnung der Haftreibung als Reibung und ihre Einordnung als Reibungsform. Sie unterscheidet sich damit insbesondere von Gleit- und Rollreibung.
Für elastische Materialien, etwa Gummi von Autoreifen oder Kletterschuhen, reicht das einfache Modell der Haftreibung nur unzureichend aus. Bei diesen Materialien hängt die Reibungskraft nicht mehr unabhängig von der Auflagefläche beziehungsweise der Flächenpressung ab. Auch die Temperatur spielt eine Rolle. Höhere Flächenpressung und eine höhere Temperatur können die Bindung zwischen der elastischen Oberfläche und dem Untergrund durch Adhäsion oder durch Anpassung an vorhandene Unebenheiten vergrößern. Adhäsion bezeichnet dabei die Bindung zwischen den Oberflächen; die Anpassung an Unebenheiten wird als Formschluss bezeichnet. Dadurch kann die Haftreibung überproportional zunehmen. Auch die Gleitreibung elastischer Materialien ist untypisch und hängt insbesondere von der Gleitgeschwindigkeit ab.
