Jede alltägliche Situation hat etwas mit der Reibung, wie sie in der Physik definiert ist, zu tun. Zur Definition gehören auch die verschiedenen Arten von Reibung, die Du mithilfe von Formeln berechnen und damit Beispiele – wie die schiefe Ebene – erklären kannst.
Reibung Physik
Reibung in der Physik tritt – vereinfacht gesagt – immer auf, wenn es um Bewegung geht. Im Winter reibst Du Deine Hände, um sie zu wärmen. Die Bremse am Fahrrad drückt einen Klotz ans Rad und Du wirst langsamer. Um eine schwere Kiste zu verschieben, benötigst Du viel Kraft. Legst Du sie stattdessen auf eine Karre, geht es deutlich einfacher.
Im Alltag kann „Reibung“ einen Konflikt oder Unstimmigkeiten – etwa zwischen zwei Personen – bedeuten. In dieser Bedeutung von Reibung wird also etwas Negatives gemeint. In der Physik kann Reibung aber sowohl negativ als auch positiv sein. Du sprichst dann von erwünschter und unerwünschter Reibung.
Erwünschte und unerwünschte Reibung Beispiele
Ohne Reibung würde die Fahrradbremse nicht funktionieren, Du könntest nicht normal laufen und schon gar nicht einen Hang hinaufsteigen. In diesem Fall sprichst Du von erwünschter Reibung.
Beispiele für erwünschte Reibung sind:
Reibung stört aber, wenn Du etwas verschieben möchtest. Unerwünscht ist sie außerdem, wenn sie zur Abnutzung oder Energieverlust führt.
Beispiele für unerwünschte Reibung sind:
Reibung in mechanischen Geräten führt zur Abnutzung und zum Energieverlust
Luftreibung führt zum ungewollten Bremsen von Autos, Zügen, Flugzeugen etc.
Erwünschte und unerwünschte Reibung sind aber nicht immer deutlich zu trennen.
So führt das mechanische Bremsen (erwünscht) bei Auto oder Fahrrad etwa dazu, dass sich ebendiese Bremsen abnutzen (unerwünscht) und sie mit der Zeit erneuert werden müssen.
Wenn Du ein Seil herunterrutschst, reiben Deine Hände am Seil, um Dich auszubremsen (erwünscht). Die Reibung wäre also immer erwünscht, wenn dadurch nicht auch eine gefährliche Wärme (unerwünscht) entstehen könnte.
Die Wärme durch Reibung ist meist unerwünscht, weil sie dem Prozess Energie entzieht. In diesem Fall sprichst Du von sogenannten „Reibungsverlusten“. Mehr zur Energie und der dabei verrichteten mechanischen Arbeit zeigt Dir die Erklärung „Reibungsarbeit“.
Was genau ist also die Reibung in der Physik, wenn sie sowohl erwünscht als auch unerwünscht sein kann?
Reibung Definition
Um eine Definition für Reibung in der Physik zu finden, kannst Du Dir vorerst überlegen, was bei physikalischer Reibung geschieht.
Bei der Fahrradbremse drückt ein Bremsklotz auf das Rad und bremst es aus. Läufst Du, etwa am Berg, haftet Dein Schuh auf dem Boden, weil Du ihn mit Deinem Gewicht nach unten drückst.
In beiden Fällen verhaken sich die Oberflächen und es kommt zur Reibung, die eine Bewegung abschwächt. Die Fahrradbremse verlangsamt die Drehung des Rades und die Haftung Deines Schuhs verhindert das Wegrutschen.
Reibung in der Physik hat also etwas mit Bewegung mindestens zweier, aneinandergedrückter Körper zu tun.
Reibung in der Physik bedeutet, dass sich zwei oder mehr Körper gegeneinander bewegen, sich ihre Oberflächen verhaken und somit in ihrer Bewegung hindern. Um die Hinderung zu überwinden, ist eine Kraft erforderlich – die Reibungskraft. Damit die Kraft im Vorgang aufrechterhalten werden kann, wird Energie benötigt und mechanische Arbeit verrichtet – die Reibungsarbeit.
Hier soll es im Weiteren um die Reibungskraft und nicht um die Reibungsarbeit gehen.
Mehr zur Reibungsarbeit, die der Reibungskraft entspringt, findest Du in der gleichnamigen Erklärung zum Thema.
Reibung ist aber nicht gleich Reibung, auch nicht in der Physik. Auf glattem Eis lässt es sich schwieriger laufen als auf einem trockenen Gehweg. Es gibt einen Unterschied in der Oberflächenbeschaffenheit, der die Reibung beeinflusst.
Außerdem ist es viel einfacher, eine leere Kiste zu verschieben, als eine schwer befüllte Kiste. Die Kraft, die die Oberflächen zusammendrückt, scheint also auch eine Rolle zu spielen.
Oberflächenbeschaffenheit und Kraft … das könnte fast nach einer Formel klingen, oder?
Reibung Formel
Um die Reibung in der Physik zu berechnen, gibt es eine allgemeine Formel – obwohl es verschiedene Arten von Reibung gibt: eine schwere Kiste über den Boden zu schleifen, benötigt mehr Kraft, als sie im Karren mit Rädern zu transportieren. Mit der Formel kannst Du die Reibungskraft berechnen.
Die Reibungskraft \(F_R\) wirkt, wenn sich Oberflächen gegeneinander bewegen. Sie wirkt stets entgegen der Bewegung. Bestimmt wird sie durch die Normalkraft \(F_N\), die die Oberflächen senkrecht aneinander drückt und den Reibungskoeffizienten („Reibungszahl“) \(\mu\), der die Oberflächenbeschaffenheit der Oberflächen zusammenfasst.
\[F_R=\mu \cdot F_N\]
Als Einheit der Reibungskraft verwendest Du – wie bei allen anderen Kräften – Newton \(N\):
\[\left[F_R\right]=1 \, \mathrm{N} = 1 \, \mathrm{\frac{kg \cdot m}{s^2}}\]
In der Physik wird die Normalkraft oft mit der Kraft gleichgesetzt, die aufgrund der Gewichtskraft senkrecht auf eine Oberfläche wirkt.
Hier bedeutet Normalkraft lediglich der Anteil der Kraft – nicht unbedingt der Gewichtskraft – der dafür sorgt, dass die Oberflächen aneinander gedrückt werden.
Bei der Fahrradbremse ist die Normalkraft \(F_N\) nicht Teil der Gewichtskraft, sondern die Kraft, mit der der Bremsbacken senkrecht an das Rad gedrückt wird.
Stehst Du am Hang, wäre die Normalkraft \(F_N\) der Anteil der Gewichtskraft, der genau senkrecht auf die Oberfläche zeigt.
Was ist mit dem Reibungskoeffizienten? Wenn er die Oberflächenbeschaffenheit angibt, warum ist es dann einfacher, eine schwere Kiste mit einem Karren mit Rädern zu bewegen, als sie über den Boden zu schleifen? Du veränderst dabei schließlich weder den Boden noch die Kiste.
Stattdessen veränderst Du aber die Oberfläche und somit die Art der Reibung an sich, die bei der Bewegung stattfindet.
Arten von Reibung
Es gibt verschiedene Arten von Reibung in der Physik. Das kannst Du selbst zu Hause ausprobieren.
Nimm Dir einen Gegenstand, der recht klein ist und nicht einfach kaputtgehen kann. Dann nimm Dir einen weiteren Gegenstand zur Hand, der eine große, stabile, ebene Oberfläche hat – etwa ein Tablett oder ein stabiler Schreibblock.
Den kleinen Gegenstand legst Du auf eine Seite der Oberfläche und beginnst, die Oberfläche zu neigen, bis sich der Gegenstand schließlich anfängt zu bewegen. Jetzt musst Du schnell reagieren. Während der Gegenstand in Bewegung ist, neige die Oberfläche wieder ein wenig zurück.
Das kannst Du mehrere Male durchführen. Dabei wirst Du feststellen, dass der Winkel der Neigung, sobald sich der Gegenstand in Bewegung befindet, flacher ist als der Winkel, der benötigt wird, um den Gegenstand in Bewegung zu versetzen. Das bedeutet, auch die Reibungskraft – die gegen die Bewegung wirkt – wird geringer, sobald sich der Gegenstand in Bewegung befindet.
Jetzt stelle Dir vor, Du würdest den gleichen Gegenstand mit kleinen Rollen an der Unterseite versehen und den Versuch nochmals durchführen. Mit den Rollen würde der Gegenstand deutlich eher losrollen. Die Rollen vermindern also die wirkende Reibungskraft.
Fassen wir zusammen:
Befinden sich zwei gegeneinandergedrückte Oberflächen in Ruhe – sie bewegen sich nicht aneinander vorbei, werden aber zusammengedrückt – dann muss eine Kraft aufgewandt werden, um die Bewegung zu beginnen: die sogenannte Haftreibungskraft \(F_{R,H}\).
Findet schon eine Bewegung statt – also gleiten die Oberflächen bereits aneinander vorbei – bremst die Gleitreibungskraft \(F_{R,G}\) die Bewegung aus.
Gleiten die Oberflächen nicht, sondern rollt mindestens eine, so bremst die Rollreibungskraft \(F_{R,R}\).
Betrachtest Du die gleichen Materialien, ist die Haftreibungskraft stets die größte Reibungskraft, gefolgt von der Gleitreibungskraft und deutlich geringer ist die Rollreibungskraft.
\[F_{R,G} > F_{R,H} > F_{R,R}\]
Die Grundformel für die Reibungskraft gilt noch immer für alle Arten der Reibung. Nur die Bezeichnung der speziellen Art der Reibungskraft und des Reibungskoeffizienten ändert sich leicht:
| Haftreibungskraft | Gleitreibungskraft | Rollreibungskraft |
| \[F_{R,H} = \mu_H \cdot F_N\] | \[F_{R,G} = \mu_G \cdot F_N\] | \[F_{R,R} = \mu_R \cdot F_N\] |
Entsprechend der jeweiligen Art der Reibungskraft kannst Du auch die speziellen Reibungskoeffizienten benennen: Haftreibungskoeffizient \(\mu_H\), Gleitreibungskoeffizient \(\mu_G\) und Rollreibungskoeffizient \(\mu_R\).
Tatsächlich sind diese drei Arten von Reibung nicht die einzigen, die es gibt.
Stelle Dir vor, Du fährst mit Deinem Fahrrad einen Weg entlang. Vergleiche die drei folgenden Situationen und überlege Dir, wann Du es am einfachsten haben wirst, Deine aktuelle Geschwindigkeit zu halten:
- Es weht kein Wind.
- Du hast Rückenwind.
- Dir weht ein starker Wind entgegen.
Mit Rückenwind ist es vermutlich am einfachsten, die Geschwindigkeit zu halten – so lange er nicht so stark ist, dass er Dich von allein beschleunigt. Bei starkem Gegenwind musst Du deutlich mehr strampeln, um die Geschwindigkeit zu halten. Das liegt daran, dass Dein Körper und die Luft aneinander reiben.
Wie Du die Luftreibung berechnest, findest Du in der folgenden Vertiefung.
Bewegt sich ein Körper relativ zur ihn umgebenden Luft, dann kommt es zur Luftreibung.
Diese ist – anders als die anderen Arten von Reibung – von der Geschwindigkeit \(v\) der Bewegung abhängig. Die Oberflächenbeschaffenheit wird außerdem durch den Luftwiderstandsbeiwert \(c_w\) und die Oberfläche \(A\) des Körpers an sich ausgedrückt.
Auch die Dichte \(\rho_{\text{Luft}}\) der Luft ist entscheidend für die Berechnung der Luftwiderstandskraft (Luftreibungskraft) \(F_{R,L}\):
\[F_{R,L}= \frac{1}{2} \cdot A \cdot c_w \cdot \rho_{Luft} \cdot v^2\]
Die Luftreibung steigt also quadratisch mit der Geschwindigkeit. Um ihr entgegenzuwirken, würde ein Auto also deutlich mehr als nur das Doppelte an Sprit verbrauchen, wenn es die doppelte Geschwindigkeit fährt.
Zum Verinnerlichen der Arten von Reibung kann es hilfreich sein, sich verschiedene Aufgaben und Beispiele anzuschauen.
Reibung Beispiele & Aufgaben
Je nachdem, welche Art der Reibung vorliegt, unterscheiden sich die Reibungskoeffizienten. Umso wichtiger ist es, erkennen zu können, um welche Art der Reibung es sich handelt, wenn Du diese etwa berechnen möchtest.
Aufgabe 1
Ordne den folgenden Beispielsituationen die passende Art der Reibung zu.
- Du stehst mit angezogener Fahrradbremse am Hang.
- Während Du den Hang herunterfährst, bremst Du, um nicht zu schnell zu werden.
- Unten am Hang angekommen, lässt Du Dich ausrollen.
- Durch Strampeln beschleunigst Du wieder.
Lösung
In Situation 1 wirkt die Haftreibung. Du befindest Dich noch nicht in Bewegung, die Bremsklötze haften am Rad und halten es still.
Beim Bremsen während der Fahrt in Situation 2 wirkt die Gleitreibung. Die Bremsklötze gleiten am Rad und bremsen es dadurch aus. Auch Roll- und Luftreibung wirken hier, sind im Vergleich zur Gleitreibung der Bremse jedoch oftmals deutlich geringer.
Lässt Du Dich ausrollen, wirken Roll- und Luftreibung zusammen, um Dich allmählich auszubremsen, bis Du schließlich zum Stillstand kommst.
Möchtest Du beschleunigen, dann wirken Roll- und Luftreibung gegen die Bewegung.
In den genannten Situationen könntest Du zusätzlich die verschiedenen Reibungsstellen bei der Mechanik des Fahrrads aufzählen. Das wird aber schnell sehr viel, weswegen hier nur die wesentlichen Reibungen betrachtet wurden.
Den Hang kannst Du auch als schiefe Ebene betrachten.
Reibung schiefe Ebene
Ein Beispiel aus der Physik, bei dem die Reibung eine Rolle spielt, ist die schiefe Ebene. Für deren Berechnung gibt es auch eine leicht abgewandelte Formel.
Eine schiefe Ebene ist, wie es die Bezeichnung vermuten lässt, eine Ebene mit einem gewissen Winkel \(\alpha\) zur Erdoberfläche. Ein Körper, der die Gewichtskraft \(F_G\) gerade nach unten wirkt, bewegt sich die schiefe Ebene herab. Dabei wirkt eine Reibungskraft \(F_R\) entsprechend der Art der Reibung entgegen die Bewegungsrichtung.
Aufgrund des Winkels der schiefen Ebene ist hier nur ein Teil der Gewichtskraft für die Reibungskraft verantwortlich: die Normalkraft \(F_N\), die senkrecht auf der Ebene steht. Für die Reibung an der schiefen Ebene ergibt sich folgende Formel:
Die Reibungskraft \(F_R\) an einer schiefen Ebene berechnest Du mit dem entsprechenden Reibungskoeffizienten \(\mu\) und der Normalkraft \(F_N\) auf die schiefe Ebene. Die Normalkraft hängt dabei von der Gewichtskraft \(F_G\) des Körpers und des Winkels \(\alpha\) der schiefen Ebene ab.
\begin{align}F_R &= \mu \cdot F_N & \text{mit: } F_N = F_G \cdot cos\left(\alpha\right) \\ \\F_R &= \mu \cdot F_G \cdot cos\left(\alpha\right)\end{align}
An der schiefen Ebene spielt aber nicht nur die Reibungskraft, sondern auch die Hangabtriebskraft eine Rolle. Was dabei wichtig ist, zeigt Dir die Erklärung „Schiefe Ebene“.
Nicht zuletzt auch an der schiefen Ebene kannst Du die Reibung berechnen.
Reibung berechnen
Ein Beispiel für Reibung ist die Haftung von Autoreifen auf der Straße oder am Hang (schiefe Ebene). Damit die Reifen beim Beschleunigen nicht durchdrehen, müssen diese gut am Boden haften, um die gesamte beschleunigende Kraft „auf die Straße zu bringen“.
Aufgabe 2
Berechne die maximale Haftreibungskraft \(F_R\) der Autoreifen auf Asphalt \(\left(\mu=0{,}8\right)\), wenn sie durch die Gewichtskraft \(F_G=1000 \, \mathrm{N}\) des Autos auf die Straße gedrückt werden.
Lösung
Die Formel für die Reibungskraft lautet:
\[F_R=\mu \cdot F_N\]
Gehst Du davon aus, dass die Straße keine Neigung besitzt, dann ist die Normalkraft \(F_N\) in diesem Fall gleich der Gewichtskraft \(F_G\). Somit lautet die Formel:
\[F_R=\mu \cdot F_G\]
Hier kannst Du die gegebenen Werte einsetzen und die Haftreibungskraft berechnen:
\begin{align}F_R&=0{,}8 \cdot 1000 \, \mathrm{N} \\ F_R &= 800 \, \mathrm{N}\end{align}
Die Straße ist jetzt nass und ein wenig geneigt.
Aufgabe 3
Berechne die maximale Haftreibungskraft \(F_R\) der Autoreifen auf nassem Asphalt \(\left(\mu=0{,}5\right)\), wenn diese durch die Gewichtskraft \(F_G=1000 \, \mathrm{N}\) des Autos auf die Straße am Hang des Winkels \(\alpha=10°\) gedrückt werden.
Lösung
Auch hier kannst Du mit der allgemeinen Formel für die Reibungskraft starten:
\[F_R=\mu \cdot F_N\]
Die Normalkraft \(F_N\) ist hier aber nicht gleich der Gewichtskraft, da es sich um eine schiefe Ebene handelt. Du solltest also die Normalkraft als Anteil der Gewichtskraft \(F_G\) mithilfe des Winkels \(\alpha\) bestimmen (siehe Reibung an der schiefen Ebene).
\[F_R = \mu \cdot F_G \cdot cos\left(\alpha\right)\]
Nun kannst Du die Werte einsetzen, um daraus die Haftreibungskraft am nassen Hang zu berechnen:
\begin{align}F_R &= 0{,}5 \cdot 1000 \, \mathrm{N} \cdot cos\left(10°\right) \\F_R &= 492 \, \mathrm{N}\end{align}
Am nassen Hang ist die Haftreibung also deutlich geringer, als auf der trockenen horizontalen Straße. Das kann gerade im Winter bei steilen, eisigen Straßen dazu führen, dass das Gewicht des Autos allein ausreicht, um die dann sehr geringe Haftreibungskraft zu überwinden. Das Auto würde von allein den Hang herunterrutschen.
Es ist also wichtig, gewünschte Reibung gezielt zu verwenden und unerwünschte Reibung so gut es geht zu vermeiden.
Reibung – Das Wichtigste
- Bei der Reibung in der Physik verhaken sich die Oberflächengegeneinander bewegender und gedrückter Körper miteinander. Diese Hinderung äußert sich als Kraft, die für die Bewegung überwunden werden muss: die Reibungskraft.
- Die Reibungskraft \(F_R\) wirkt stets gegen die Bewegung und ist abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit \(\mu\) der reibenden Oberflächen sowie von der Kraft \(F_N\) (Normalkraft), durch die die Körper aneinander gedrückt werden.\[F_R=\mu \cdot F_N\]
- Es gibt mehrere Arten der Reibung, die jeweils leicht angepasste Formeln haben:
- Haftreibung tritt auf, wenn Körper in Bewegung versetzt werden sollen. \[F_{R,H} = \mu_H \cdot F_N\]
- Gleitreibung besteht, während sich Körper gegeneinander bewegen. \[F_{R,G} = \mu_G \cdot F_N\]
- Rollreibung entsteht, wenn die Körper nicht gleiten, sondern mindestens einer rollt. \[F_{R,R} = \mu_R \cdot F_N\]
- Luftreibung ist die Reibung zwischen einem Körper und der ihn umgebenden Luft.
- Grundsätzlich gilt: Haftreibung > Gleitreibung > Rollreibung
- Die Reibung eines Körpers, der eine Gewichtskraft \(F_G\) wirkt, an der schiefen Ebene im Winkel \(\alpha\) kannst Du mit folgender Formel berechnen: \[F_R = \mu \cdot F_G \cdot cos\left(\alpha\right)\]
- Beispiele für erwünschte und unerwünschte Reibung sind:
- erwünschte Reibung: mechanische Bremsen, Haftung bei der Fortbewegung
- unerwünschte Reibung: Reibung in Mechanismen führt zu Abnutzung und Energieverlust, Luftreibung bremst Fortbewegungsmittel aus
Nachweise
- Humboldt Universität Berlin: Reibung. people.physik.hu-berlin.de (11.11.2022)
- Universität Würzburg: Reibung zwischen Körpern. pawn.physik.uni-wuerzburg.de (11.11.2022)
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