Reibung

Man unterscheidet äußere und innere Reibung:

Die äußere Reibung ist die Reibung zwischen festen Körpern. Sie bezeichnet den auf einen festen Körper wirkenden Widerstand (Reibungswiderstand, Reibungskraft), der die Bewegung des Körpers behindert. Jeder auf einer Unterlage gleitende oder rollende Körper erfährt einen derartigen Widerstand, dessen Richtung der Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist, der also die Bewegung zu hemmen sucht. Die Reibung wird verursacht durch die stets vorhandenen Unebenheiten der Berührungsflächen. Um einen Körper entgegen der Reibungskraft auf einer waagerechten Unterlage in einem gleichförmigen Bewegungszustand zu halten, ist es erforderlich, Arbeit zu verrichten, die so genannte Reibungsarbeit. Sie wird vollständig in Wärmeenergie umgewandelt. Dieser Vorgang stellt also, energetisch betrachtet, eine Umwandlung von mechanischer Energie in Wärmeenergie dar. Die bei der Reibung frei werdende Wärme wird als Reibungswärme bezeichnet. Ihr Auftreten ist eine der Ursachen dafür, dass die von einer Maschine abgegebene mechanische Energie stets kleiner ist als die ihr zugeführte Energie.

Aber nicht nur ein sich auf einer Unterlage bewegender Körper erfährt eine Reibungskraft, sondern auch ein auf dieser ruhender. Er hafte auf der Unterlage. Um ihn in Bewegung zu versetzten, muss man außer seiner Trägheit noch einen weiteren Widerstand überwinden, die so genannte Haftreibung (Reibung der Ruhe). Man hat demnach drei verschiedene Reibungsarten bei festen Körpern zu unterscheiden und spricht je nachdem, ob ein Körper auf seiner Unterlage haftet, gleitet oder rollt, von Haftreibung, Gleitreibung oder Rollreibung:

Haftreibung

Der Betrag der Haftreibung kann mit Hilfe eines Tribometers bestimmt werden. Man legt auf die Waagschale W ein Wägestück mit der Gewichtskraft G, so dass der Körper K gerade noch nicht in Bewegung versetzt wird. Der Betrag der Haftreibung ist dann gleich dem Betrag dieser Gewichtskraft. Aus Messungen ergibt sich, dass der Betrag Haftreibung direkt proportional der senkrecht auf die Berührungsfläche wirkende Kraft, der sogenannten Normalkraft, ist. Er ist dagegen unabhängig von der Größe der Berührungsfläche. Dieses Ergebnis wird durch das Coulombsche Reibungsgesetz beschrieben. Es lautet:

Rh = fh * N

Die Größe des Haftreibungskoeffizienten ist vom Material und von der Oberflächenbeschaffenheit der Berührungsfläche abhängig. Der Haftreibungskoeffizient lässt sich mit einer geneigten Ebene bestimmen, deren Neigungswinkel α so eingestellt wird, dass der darauf befindliche Körper K gerade noch nicht in Bewegung gerät. Dann ist der Betrag P der parallel zur geneigten Ebene schräg nach unten gerichteten Kraft P gerade gleich dem Betrag Rh der Haftreibung. Ist G der Betrag der Gewichtskraft G des Körpers K, gilt für den Betrag N der senkrecht zur geneigten Ebene gerichteten Normalkraft:

N = G * cos α

und für den Betrag P der Kraft P, der gleich dem Betrag Rh der Haftreibung ist:

P = Rh = G * sin α

Gleitreibung

Auch der Betrag Rg der Gleitreibung ist, wie der Betrag der Haftreibung, unabhängig von der Größe der Berührungsfäche und direkt proportional zum Betrag N der Normalkraft. Bei der Gleitreibung gilt ebenfalls das Coulombsche Reibungsgesetz in der Form:

Rg = fg * N

Der Proportionalitätsfaktor fg wird hierbei als Gleitreibungskoeffizient oder als Gleitreibungszahl bezeichnet. Seine Größe ist vom Material und der Oberflächenbeschaffenheit der Berührungsflächen abhängig. Bei der sonst gleichen Verhältnissen ist der Gleitreibungskoeffizient stets kleiner als der Hafreibungskoeffizient. Beide haben die Dimension einer Zahl. Messen kann man den Betrag der Gleitreibung genauso wie den der Haftreibung mit dem Tribometer oder der geneigten Ebene, nur muss man dabei die Waagschale des Tribometers so belasten bzw. den Neigungswinkel der geneigten Ebene so einstellen, dass der Versuchskörper eine gleichförmige Bewegung ausführt.

Rollreibung

Auch wenn beispielsweise ein zylindrischer Körper auf einer Unterlage abrollt, tritt eine die Bewegung hindernde Reibung, die Rollreibung, auf. Sie ist bei sonst gleichen Verhältnissen sehr viel kleiner als die Haft- oder Gleitreibung. Man kann sie ebenfalls mit eine geneigten Ebene messen, deren Neigungswinkel α so eingestellt wird, dass der Körper mit konstanter Geschwindigkeit abrollt. Ist G der Betrag der Gewichtskraft des Körpers, so gilt für den Betrag N der Normalkraft N = G * cosα und für den Betrag P der längs der geneigten Ebene nach unten gerichteten Kraft P = G * sinα. Der Betrag M des Drehmoments, das auf den Körper infolge der Erdanziehungskraft ausgeübt wird, ist aber:

M = P * r = G * r * sinα

M ist betragsgleich dem die rollende Bewegung hindernden reibungsbedingten Moment. Entsprechend dem Coulombschen Gesetz bei der Haft- und Gleitreibung gilt dann für den Betrag Mr des Momentes der Rollreibung:

Mr = fr * N

Im Gegensatz zum Haftreibungskoeffizienten und zum Gleitreibungskoeffizienten, die beide die Dimension einer Zahl haben, hat der Rollreibungskoeffizient die Dimension der Länge.

Für den Betrag Rr der Rollreibung gilt die Beziehung:

Rr = M/R = fr * N/r

Bei sonst gleichen Verhältnissen ist der Betrag der Rollreibung somit dem Radius des abrollenden Zylinders umgekehrt proportional. Je größer der Radius, um so kleiner der der Betrag der Rollreibung. Aus diesem Grund ist man bestrebt, die Räder von Fahrzeugen möglichst groß zu machen.

Da die Rollreibung bei gleichen Materialien und gleicher Oberflächenbeschaffenheit stets kleiner ist als die Gleitreibung, versucht man in der Technik nach Möglichkeit alle Gleitreibungsvorgänge in Rollreibungsvorgänge umzuwandeln. Das geschieht durch Verwendung von Kugel- oder Wälzlagern. Läßt sich die Gleitreibung jedoch nicht vermeiden, wie zum Beispiel in Zylindern von Motoren oder Dampfmaschinen, in denen Kolben an Zylinderwänden gleiten, bringt man Schmiermittel (Öle, Schmierfette) auf die Gleitflächen, so dass die Gleitreibung zwischen Kolben und Zylinderwand durch die weitaus geringere innere Reibung des Schmiermittels ersetzt wird.

Als innere Reibung bezeichnet man den Widerstand, den die einzelnen Teilchen eines festen, flüssigen oder gasförmigen Körpers ihrer relativen Bewegung untereinander entgegensetzten. Seine Wirkung zeigt sich bei festen Körpern z.B. darin, dass ein elastischer schwingender Körper allmälich zur Ruhe kommt, also eine gedämpfte Schwingung ausführt, weil seine mechanische Schwingungsenergie durch die innere Reibung nach und nach in Wärmeenergie umgewandelt wird. Bei durch Rohrleitungen strömenden Gasen oder Flüssigkeiten bewirkt die innere Reibung eine Geschwindigkeitsverringerung in der Nähe der Rohrwandung, da direkt an der Rohrwandung in der Regel eine ruhende Gas- oder Flüssigkeitsschicht haftet, an der sich die benachbarten strömenden Schichten reiben.

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