Reibung

Grundidee und Bedeutung

Reibung, auch Friktion oder Reibungswiderstand genannt, ist eine Kraft zwischen Körpern oder Teilchen, die einander berühren. Sie erschwert die Bewegung der Körper gegeneinander. Um eine Bewegung trotz Reibung zu erzeugen oder aufrechtzuerhalten, muss Arbeit verrichtet werden. Dabei wird ein Teil der Arbeit oder der Bewegungsenergie durch Dissipation in Reibungswärme umgewandelt und/oder für Verschleiß verbraucht.

Man unterscheidet zwei Hauptformen: Äußere Reibung wirkt zwischen den Außenflächen fester Körper. Innere Reibung wirkt zwischen benachbarten Teilchen bei Verformungen in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. Die wissenschaftliche Untersuchung von Reibungsvorgängen heißt Tribologie. In physikalischen Modellen werden Reibungskräfte oft vernachlässigt, wenn sie klein oder schwer genau zu erfassen sind.

Äußere Reibung

Äußere Reibung wird auch Festkörperreibung genannt, weil sie zwischen Kontaktflächen fester Körper auftritt. Wichtige Formen sind Haftreibung und Gleitreibung; beide werden auch Coulombsche Reibung genannt. Sie treten nicht immer streng getrennt auf. Beim Stick-Slip-Effekt wechseln Haft- und Gleitreibung periodisch. Weitere anwendungsbezogene Begriffe sind Rollreibung, Bohrreibung und Seilreibung.

Die Reibungskraft hängt besonders von der Normalkraft ab. Die Normalkraft ist die Kraft, mit der ein Körper senkrecht auf eine Unterlage drückt oder umgekehrt die Unterlage senkrecht auf den Körper wirkt. Ihre Ursache kann zum Beispiel Gewicht, Federkraft, hydraulischer Druck oder Kurvendruck sein. Häufig gilt näherungsweise eine lineare Abhängigkeit, und die Reibungskraft ist unabhängig von der Größe der Kontaktfläche:

F_R^max ≤ μ_0 · F_N und F_R ≈ μ · F_N.

Dabei ist F_R^max die maximale Haftreibungskraft, F_R die Gleitreibungskraft, F_N die Normalkraft, μ_0 der Haftreibungskoeffizient und μ der Gleitreibungskoeffizient. Die Reibungskoeffizienten hängen von der Beschaffenheit der Oberflächen ab und werden experimentell bestimmt. Der Koeffizient für Haften μ_0 ist grundsätzlich größer als der für Gleiten μ.

Haften, Gleiten und Rollen

Haftreibung wirkt, wenn sich berührende Körper relativ zueinander in Ruhe bleiben. Die tatsächliche Haftreibungskraft ist immer entgegengesetzt gleich der Parallelkomponente der äußeren Kraft. Solange die maximale Haftreibung nicht überschritten wird, bewegt sich der Körper nicht. Beim Haften treten weder Verschleiß noch Energieverluste auf. Der Zustand entsteht durch mikroskopischen Formschluss wegen Rauheit und durch molekulare Anziehungskräfte, also Adhäsion. Im Alltag ist Haftreibung notwendig: Möbel bleiben stehen, Fahrzeuge rollen nicht einfach weg, Füße finden Halt auf dem Boden, und angetriebene Räder können Traktion erzeugen.

Gleitreibung tritt auf, wenn sich zwei Körper an ihrer Kontaktfläche relativ zueinander bewegen. Die Gleitreibungskraft wirkt antiparallel zur Bewegungsrichtung und ist bei gleicher Normalkraft meist kleiner als die Haftreibungskraft. Nach den Amontonsschen beziehungsweise Coulombschen Gesetzen ist sie unabhängig von der Geschwindigkeit. Bei einigen Werkstoffkombinationen kann aber Kriechen auftreten, sodass die Reibungskraft geschwindigkeitsabhängig wird.

Rollreibung entsteht, wenn ein Körper auf einer Unterlage rollt. Sie lässt sich im Modell durch die Deformation eines nicht ideal starren Körpers erklären. Beschrieben wird sie durch die dimensionslose Rollreibungszahl μ_R = d / R. Dabei ist d die Rollreibungslänge und R der Radius des Rollkörpers. Wenn sich Gleit- und Rollreibung überlagern, spricht man von Wälzreibung; ein typisches Beispiel ist ein Rad auf einer Fahrbahn.

Weitere Reibungsformen

Bohrreibung entsteht am Auflagepunkt eines Körpers, der sich auf einer Ebene um die vertikale Achse dreht. Da sie bei einer Drehbewegung wirkt, wird sie als Drehmoment beschrieben:

M_B = μ_B · F_N.

Dabei ist M_B das Bohrreibmoment, μ_B der Koeffizient der Bohrreibung und F_N die Normalkraft. Der Koeffizient μ_B hat die Dimension einer Länge und kann als Radius einer scheinbaren Auflagescheibe gedeutet werden, also als resultierender Hebelarm der Flächenmomente. Im Allgemeinen lässt er sich jedoch nicht einfach als Produkt aus einem konstanten mittleren Radius der Auflagefläche und einer Materialkonstanten berechnen.

Seilreibung beschreibt die Reibung eines Seils, das um einen runden Körper gelegt ist und auf beiden Seiten durch Kräfte belastet wird. Die Euler-Eytelwein-Formel gibt dafür an, unter welchen Bedingungen das Seil haftet.

Innere Reibung verursacht die Zähigkeit von Materialien und Fluiden und beeinflusst Verformungen und Strömungen. Sie beschreibt außerdem den Reibungswiderstand von Körpern, die sich in Fluiden bewegen, sowie die Dämpfung von Schallwellen. In Gasen nimmt die innere Reibung, also die Viskosität, typischerweise mit der Temperatur zu; in Flüssigkeiten nimmt sie typischerweise ab. Nahe dem Temperaturnullpunkt verlieren einige Flüssigkeiten ihre innere Reibung vollständig, was als Suprafluidität bezeichnet wird. Die Gleichsetzung von innerer Reibung und Viskosität ist auf Fluide beschränkt.

Energieumwandlung

Nach dem Energieerhaltungssatz geht durch Reibung keine Energie verloren. Energie kann aber ihre Form ändern: Bewegungsenergie wird unter Entropiezunahme in Wärmeenergie umgewandelt. Ein gleitender Hockey-Puck kommt zum Stillstand, weil Reibung seine kinetische Energie in Wärme umwandelt. Diese Wärme erhöht die innere Energie des Pucks und der Eisoberfläche und kann dort zu Temperaturerhöhung oder Schmelzen führen. Je nach Material kann zusätzlich Abrieb entstehen, wobei ebenfalls Energie für die Zerkleinerung des Materials aufgenommen wird.

Die Reibungsarbeit W_fric entlang eines Pfades C ergibt sich aus Kraft mal Weg. Wenn Kraft oder Reibungskoeffizient über den Weg nicht konstant sind, verwendet man ein Kurvenintegral:

W_fric = ∫_C F_fric(x) · dx = ∫_C μ_k F_n(x) · dx.

Dabei ist F_fric die Reibungskraft, F_n die Normalkraft, μ_k der Gleitreibungskoeffizient und x die Position des Objekts. Die durch Reibung aus einem System abgegebene Energie ist ein klassisches Beispiel thermodynamischer Irreversibilität: Der Vorgang läuft nicht einfach von selbst rückwärts ab.

Schmierung und Beispiele

In der Schmierungstechnik unterscheidet man verschiedene Reibungszustände. Bei Festkörperreibung berühren sich die gleitenden Flächen direkt. Oberflächenerhöhungen werden eingeebnet, es entsteht Abrieb oder Verschleiß. Bei ungünstiger Werkstoffpaarung und großer Flächenpressung können Oberflächen durch Adhäsion miteinander verschweißen. Festkörperreibung tritt etwa bei Trockenschmierstoffen wie Graphit oder Teflon auf, wenn kein Schmierstoff verwendet wird oder die Schmierung versagt. Nahezu reibungsfreie Bewegungen sind durch aerostatische Lagerung, also Luftlager, möglich.

Mischreibung tritt bei unzureichender Schmierung oder zu Beginn einer Bewegung mit Schmierung auf. Die Gleitflächen berühren sich noch punktuell. Die Reibungskraft ist geschwindigkeitsabhängig: Bei steigender Gleitgeschwindigkeit nimmt Reibkraft oder Reibmoment zunächst ab, bis Fluidreibung erreicht ist. Mischreibung ist im Dauerbetrieb unerwünscht, kann aber manchmal unvermeidlich sein.

Fluidreibung liegt vor, wenn ein dauerhafter Schmierfilm die Gleitflächen vollständig trennt. Typische Schmierstoffe sind Öle, Wasser und Gase. Die Reibung entsteht dann dadurch, dass Schmierstoffmoleküle aufeinander gleiten. Damit die Temperatur des Schmierstoffs erträglich bleibt, muss die entstehende Wärme abgeführt werden. Fluidreibung ist in Lagern und Führungen erwünscht, wenn Dauerhaltbarkeit, hohe Gleitgeschwindigkeit und hohe Belastbarkeit benötigt werden. Der Übergang von Mischreibung zu Fluidreibung wird durch die Stribeck-Kurve beschrieben.

Beispiele für Reibungsvorgänge sind die innere Reibung von Schüttgut, die über den Schüttwinkel definiert wird, Reibung in komplexen Flüssigkeiten wie Polymeren und Dispersionen, Reibung bei Verformung in Festkörpern sowie Reibung beim Anzünden eines Streichholzes. Beim Streichholz entsteht Abrieb von Zündkopf und Anstrichfläche; dabei bildet sich in Spuren eine Armstrongsche Mischung aus Kaliumchlorat und rotem Phosphor, die sofort zündet. Nicht geklärt ist, ob Reibungswärme einen winzigen Hot Spot bildet oder ob der enge Kontakt der beiden Feststoffe die Reaktion auslöst.