Reibung

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Reibung bzw. Friktion ist die Hemmung einer Bewegung. Man unterscheidet zwischen äußerer Reibung, die zwischen den sich berührenden Grenzflächen von Festkörpern auftritt und innerer Reibung, die die Abbremsung von Teilchen bzw. Körpern in Fluiden oder die Abbremsung der Teilchen in Festkörpern beschreibt. Äußere Reibung wird durch Adhäsion und Verzahnungen aufgrund der Oberflächenstruktur verursacht. Innere Reibung wird durch Kohäsion und Zusammenstöße von Teilchen hervorgerufen.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Allgemeines

In physikalischen Modellen werden Reibungskräfte zur Vereinfachung oft vernachlässigt. In der Realität tritt Reibung jedoch in jedem mechanischen Prozess auf. Meist wird die beim Reiben verrichtete Arbeit in Wärme umgewandelt, es kann aber auch Reibungselektrizität entstehen. Diese Energieumwandlung wird zum Beispiel in Van-de-Graaff-Generatoren genutzt. Wird die kinetische Energie einer Bewegung in thermische Energie umgewandelt, so ist die Reibung dissipativ und die Entropie des reibenden Systems nimmt zu. Einen Spezialfall bildet die Haftreibung: Im Gegensatz zu allen anderen Reibungsarten wird bei ihr keine Reibungsarbeit verrichtet, weil sich die reibenden Körper nicht relativ zueinander bewegen.

[Bearbeiten] Äußere Reibung

Äußere Reibung wird auch als Festkörperreibung bezeichnet, weil sie zwischen den Kontaktflächen von sich berührenden Festkörpern auftritt. Äußere Reibung entsteht durch molekulare Anziehungskräfte (Adhäsion) zwischen den Kontaktflächen oder ihre mechanische Verklammerung.

Da die wirkenden Reibungskräfte abhängig von der Beschaffenheit der Oberflächen sind, werden Reibungskoeffizienten η zu deren Charakterisierung definiert. An den Kontaktflächen wirkende Reibungskräfte werden allgemein berechnet mit

F_R = \mu \cdot F_{\mathrm N},

wobei FN die Normalkraft zwischen den Festkörpern angibt. Die Proportionalität der Reibungskraft zur Normalkraft und ihre Unabhängigkeit von der Reibfläche wurde in den Amontonssches Gesetzen formuliert.

Reibungszahlen werden experimentell bestimmt und sind abhängig von der Oberflächenstruktur der reibenden Oberflächen sowie der Art der Reibung. Äußere Reibung wird unterteilt in Haftreibung, Gleitreibung, Rollreibung und Bohrreibung. Die Haft- und Gleitreibung wird zu Ehren des Physikers Charles Augustin de Coulomb auch als Coulombsche Reibung bezeichnet. Diese Reibungsformen treten nicht immer strikt voneinander getrennt auf, denn mehrere Reibungsformen können zugleich oder abwechselnd auftreten; zum Beispiel ist der Stick-Slip-Effekt ein periodischer Übergang zwischen Haft- und Gleitreibung.

[Bearbeiten] Haftreibung

→ Hauptartikel: Haftreibung

Die Haftreibungskraft wirkt an den Kontaktflächen zwischen relativ zueinander stillstehenden Körpern. Haftreibungskraft wirkt entgegen der beschleunigenden Kraft, d. h. sie ist so groß wie die beschleunigende Kraft. Wenn die beschleunigende Kraft größer als die größtmögliche Haftreibungskraft eines Systems wird, so werden die Körper relativ zueinander beschleunigt und es wirken andere Reibungskräfte.

[Bearbeiten] Gleitreibung

Gleitreibung tritt an den Kontaktflächen zwischen Körpern auf, die sich geradlinig zueinander bewegen. Bei einigen Werkstoffkombinationen tritt ein Kriechen auf, sodass die Reibungskraft entgegen dem Amontonsschen Gesetz geschwindigkeitsabhängig wird. Die Gleitreibungskraft ist immer geringer als die Haftreibungskraft bei gleicher Normalkraft.

[Bearbeiten] Rollreibung

→ Hauptartikel: Rollwiderstand

Rollreibung entsteht beim Rollen eines Körpers auf einer Unterlage. Wenn die Haftreibung am Berührungspunkt zwischen dem Körper und seiner Unterlage größer ist als die tangentiale beschleunigende Kraft, dann rollt der Körper ohne Schlupf, und es wirkt ausschließlich Rollreibung; bei Gleitschlupf wirken zusätzlich Gleitreibungsanteile.

Im Modell lässt sich die Rollreibung durch die Deformation der nicht ideal starren Körper beschreiben. Die Rollreibung ist neben der Verformung der Körper auch vom Radius R des Rollkörpers abhängig. Die Rollreibungszahl kann daher berechnet werden mit:

\mu_{\mathrm R} = {d \over R}

Die Konstante d wird als Rollreibungslänge bezeichnet und gibt die zur Unterlage parallele Streckenkomponente zwischen dem Mittelpunkt der Verformung und der nicht deformierten Unterlage an.

[Bearbeiten] Bohrreibung

Bohrreibung entsteht am Auflagepunkt eines sich um die vertikale Achse drehenden Körpers auf einer Ebene. Der Koeffizient der Bohrreibung ηB ist als Radius der scheinbaren Auflagescheibe deutbar, also als der resultierende Hebelarm der Flächenmomente. Da die Bohrreibung bei einer rotierenden Bewegung wirkt, wird die Bohrreibung als Drehmoment angegeben:

M_{\mathrm B} = \mu_{\mathrm B} \cdot F_{\mathrm N}

[Bearbeiten] Seilreibung

→ Hauptartikel: Euler-Eytelwein-Formel

Die Euler-Eytelwein-Formel beschreibt die Reibung eines um einen runden Körper gelegten Seils, auf das beidseitig Kräfte wirken und gibt an, unter welchen Bedingungen das Seil haftet.

[Bearbeiten] Innere Reibung

Innere Reibung bewirkt die Zähigkeit von Materialien bzw. die Viskosität in Fluiden und hat Einfluss auf Verformungen bzw. Strömungen. Neben der Bewegung der Teilchen in einem Stoff beschreibt die innere Reibung auch den Reibungswiderstand von Körpern, die sich in Fluiden bewegen. Sie ist mit den Mitteln der statistischen Physik einer ganz anderen und ungleich präziseren Beschreibung zugänglich, als die Reibung zwischen unsauberen Festkörperoberflächen. Anders als in der Mechanik, in der Reibung so lange wie möglich vernachlässigt wird, ist innere Reibung in der Standardtheorie der Hydrodynamik – den Navier-Stokes-Gleichungen – fest enthalten.

Bei geringen Temperaturen sinkt die innere Reibung bzw. Viskosität der Fluide, weil es weniger Teilchenzusammenstöße gibt, die eine gerichtete Bewegung behindern. Bei Temperaturen nahe dem Temperaturnullpunkt verlieren einige Flüssigkeiten ihre innere Reibung vollkommen, d. h. sie werden suprafluid.

[Bearbeiten] Stokes-Reibung

→ Hauptartikel: Gesetz von Stokes

Das Stokessche Reibungsgesetz beschreibt die Reibungskraft für kleine, kugelförmige Körper, die sich mit einer geringen Geschwindigkeit in Fluiden bewegen.

F = 6 \pi \cdot r \cdot \eta \cdot v
η: Die Viskosität des Fluids
r: Der Radius des sich bewegenden Körpers.
v: Geschwindigkeit des Körpers.

Ein Vorteil dieses Reibungsgesetzes für viele Rechnungen ist die direkte Proportionalität der Reibungskraft zur Geschwindigkeit, woraus sich oft Vereinfachungen ergeben.

[Bearbeiten] Newton-Reibung

Das Newtonsche Reibungsgesetz gibt die Reibung größerer Körpers in einem Fluid für hohe Geschwindigkeiten an. Da die Reibung formabhängig ist, gilt für jede Form (z.B. Kugel, Ebene, Stromlinienform) ein Widerstandsbeiwert cW. Nach Newton ist die Reibungskraft proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit v.

F = {1 \over 2} \cdot \rho \cdot c_{\mathrm W} \cdot A \cdot v^2

A entspricht der Fläche des Strömungsquerschnitts, δ ist die Dichte des Fluids.

[Bearbeiten] Schmiermittelreibung

→ Hauptartikel: Newtonsches Reibungsgesetz

Schmiermittelreibung tritt auf, wenn sich zwei Körper zueinander bewegen, zwischen denen sich eine Flüssigkeitsschicht bzw. ein Schmiermittel mit der Dicke z und der Viskosität η befindet. Die geschmierte Fläche, auf die eine Reibungskraft wirkt, sei A. Die erforderliche Kraft, um eine Relativbewegung mit der Geschwindigkeit v aufrecht zu erhalten, ist dann

\vec F = \eta \cdot A \cdot {\vec v \over z}.

[Bearbeiten] Reibung in der Schmierungstechnik

Die Optimierung von Reibungsvorgängen ist Gegenstand der Tribologie.

Bei der Festkörperreibung berühren sich die aufeinander gleitenden Flächen. Dabei werden Oberflächenerhöhungen eingeebnet (Abrieb oder Verschleiß). Bei ungünstiger Werkstoffpaarung und großer Flächenpressung verschweißen die Oberflächen miteinander (Adhäsion). Festkörperreibung tritt beispielsweise auf, wenn kein Schmierstoff verwendet wird oder die Schmierung versagt. Diese Reibung kann auch durch Linearkugellager deutlich verringert werden.

Die Mischreibung kann bei unzureichender Schmierung oder zu Beginn der Bewegung zweier Reibpartner mit Schmierung auftreten. Dabei berühren sich die Gleitflächen punktuell. Die Reibungskraft ist geringer als sowohl bei Festkörper- als auch Flüssigkeitsreibung. Der Verschleiß ist jedoch höher als bei reiner Flüssigkeitsreibung. Dieser Zustand ist daher im Dauerbetrieb stets unerwünscht, ist aber manchmal unvermeidlich oder seine Vermeidung ist so aufwändig, dass die Kosten für Verschleißreparaturen in Kauf genommen werden.

Die Flüssigkeitsreibung tritt dann auf, wenn sich zwischen den Gleitflächen ein permanenter Schmierfilm bildet. Typische Schmierstoffe sind Öle, Wasser aber auch Gase (siehe Luftlager). Die Gleitflächen sind vollständig voneinander getrennt. Die entstehende Reibung beruht darauf, dass die Schmierstoffmoleküle aufeinander gleiten. Damit diese Scherkräfte nur zu einer tragbaren Temperaturerhöhung des Schmierstoffes führen, muss die entstehende Wärme auf geeignete Weise abgeführt werden. Flüssigkeitsreibung ist der gewünschte Zustand in Lagern und Führungen, wenn Dauerhaltbarkeit, hohe Gleitgeschwindigkeit und hohe Belastbarkeit benötigt werden. Ein wichtiges Beispiel ist die Drucköl-Schmierung der Lagerschalen zwischen Kurbelwelle und Pleuelstange im Automotor (Hydrodynamisches Gleitlager). Der Übergang von der Mischreibung zur Flüssigkeitsreibung wird durch die Stribeckkurve dargestellt.

[Bearbeiten] Beispiele für Reibungsvorgänge

[Bearbeiten] Literatur

  • Gerd Fleischer (Hrsg.): Grundlagen zu Reibung und Verschleiß. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1983.
  • Bo Persson: Sliding Friction. Physical Principles and Applications. Springer, 2002, ISBN 3540671927.
  • Ernest Rabinowicz: Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995, ISBN 0471830844.
  • Frank Philip Bowden, David Tabor: The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001, ISBN 0198507771.
  • Valentin L. Popov: Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation. Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3-540-88836-9.

[Bearbeiten] Weblinks

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Reibung“
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