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 sogenannte 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 sogenannte 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 a 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 a
und für den Betrag P der Kraft P,
der gleich dem Betrag Rh der Haftreibung ist:
P = Rh = G *
sin a
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 a 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 * cosa und für den Betrag P der längs der geneigten
Ebene nach unten gerichteten Kraft P = G * sina. Der Betrag M des
Drehmoments, das auf den Körper infolge der Erdanziehungskraft ausgeübt wird, ist aber:
M = P * r = G * r * sina
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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