Was ist statische Reibung?

Statische Reibung ist eine Kraft, die der Bewegung zweier Objekte gegeneinander widersteht, wenn sich die Objekte anfänglich in Ruhe befinden. Ein einfaches Beispiel ist ein Holzblock, der auf einer Rampe sitzt - es muss eine Kraft ausgeübt werden, damit der Block die Rampe hinuntergleitet. Ein anderer Begriff, kinetische Reibung, bezieht sich auf die Kraft, die Gegenständen entgegenwirkt, die sich bereits gegeneinander bewegen. Die Stärke dieser Kräfte kann berechnet werden und wird als Reibungskoeffizient bezeichnet. In der Praxis ist der Haftreibungskoeffizient fast immer höher als bei kinetischen Versuchen. In sorgfältig kontrollierten Experimenten, bei denen die Oberflächen der Objekte gründlich gereinigt wurden, sind die beiden im Allgemeinen gleich.

Wenn die auf ein Objekt auf einer Oberfläche ausgeübte Kraft zunimmt, nimmt die statische Reibungskraft normalerweise anfangs entsprechend zu, so dass sich das Objekt nicht bewegt. Nach einem bestimmten Punkt beginnt sich das Objekt jedoch zu bewegen, und an diesem Punkt fällt die Reibungskraft ab, so dass weniger Kraft erforderlich ist, um das Objekt in Bewegung zu halten. Zum Beispiel kann die Reibungskraft der aufgebrachten Kraft bis zu 50 Newton entsprechen - die Kraft wird in Newton (N) gemessen - danach kann sie auf 40 N abfallen. Daher ist eine Kraft von etwas mehr als 50 N erforderlich, um das Objekt zu erhalten Bewegen, aber danach werden etwas mehr als 40 N ausreichen.

Berechnung des Koeffizienten

Statische Reibungskoeffizienten können für jedes feste Material oder Materialpaar berechnet werden. Ein Koeffizientenwert kann daher für Holz auf Holz, Stahl auf Stahl oder Stahl auf Holz gelten. Eine Möglichkeit, den Wert für ein Materialpaar zu berechnen, besteht darin, einen Block aus einem Material auf einer Rampe aus dem anderen zu platzieren. Bei einem einzelnen Material würden Block und Rampe aus demselben Stoff bestehen. Die Neigung der Rampe wird allmählich erhöht, bis der Block nach unten rutscht. Der Winkel, unter dem dies geschieht, kann dann zur Berechnung des Haftreibungskoeffizienten verwendet werden.

Wenn der Koeffizient in Formeln und Gleichungen verwendet wird, erhält er das Symbol μ - den griechischen Buchstaben mu. Ein Index wird normalerweise verwendet, um die beiden zu unterscheiden: μ _s gibt Haftreibung an, während μ _k kinetische Reibung bedeutet. Beispielsweise beträgt der μs für Stahl auf Stahl 0,74, während der μk für dieses Material 0,57 beträgt. Diese Werte gelten für typische Situationen im wirklichen Leben und können je nach Umständen geringfügig abweichen. Da der μs-Wert durch Oberflächenunregelmäßigkeiten, Schmutz und Spuren anderer Substanzen beeinflusst werden kann, wird der μk-Wert als genauer angesehen und ist derjenige, der normalerweise angegeben wird, wenn ein einfacher Reibungskoeffizient erforderlich ist.

Faktoren, die die Reibung beeinflussen

Eine Reihe von Faktoren tragen zur Haftreibung bei, die wichtigste ist jedoch in der Regel die Rauheit der Oberflächen. Selbst wenn es geglättet wird, variieren die verschiedenen Materialien in Bezug auf die feinen Details ihrer Oberflächen. In der Praxis ist keine Oberfläche vollständig glatt, aber einige weisen größere Unregelmäßigkeiten auf als andere. In einigen Fällen liegt der Unterschied auf der Hand: Beispielsweise hat ein Seidenblatt eine sehr glatte Textur, die weniger Reibung erzeugt, während eine trockene Asphaltstraße grob ist und mehr Bewegungswiderstand erzeugt. Weitere Faktoren sind die elektrostatische Anziehungskraft und die Art der schwachen chemischen Bindungen, die sich zwischen Oberflächen bilden können.

Beispiele

Viele Menschen sind mit Haftreibung vertraut, da sie dieser fast täglich begegnen. Zum Beispiel ist es bei der Arbeit, wenn jemand ein Buch über einen Tisch schiebt. Anfänglich muss etwas Kraft aufgewendet werden, um das Buch in Bewegung zu versetzen, aber sobald es sich bewegt, kommt kinetische Reibung ins Spiel und es sind weniger Anstrengungen erforderlich, um es zu bewegen. Der Kraftaufwand kann je nach den Umständen variieren. Wenn ein Buch beispielsweise einen Bibliotheksumschlag hat und feucht geworden ist, erfordert das nasse Buch mehr Kraft, um sich zu bewegen, während ein brandneues Taschenbuch sehr leicht über einen trockenen Holztisch mit einer lackierten Oberfläche gleiten kann.

Tabellen mit statischen und kinetischen Reibungskoeffizienten sind für viele gängige Materialien und Kombinationen davon verfügbar. Ein höherer Wert bedeutet eine größere Reibung, sodass mehr Kraft aufgewendet werden muss, um eine Bewegung zu verursachen. Beispielsweise beträgt der μs für Aluminium auf Aluminium 1,05 - 1,35, was sehr hoch ist, während der Wert für Polytetrafluorethylen (PTFE) auf PTFE 0,04 beträgt, was extrem niedrig ist und es sehr rutschig macht. Es ist schwierig, ein angehaltenes Auto wegen der absichtlichen Reibung zwischen den Reifen und dem Boden in Bewegung zu setzen. Dies ermöglicht dem Fahrer mehr Kontrolle und verringert die Wahrscheinlichkeit, dass das Auto rutscht.

Berechnung des Bremswegs

Ein Beispiel für die Anwendung von Haftreibung ist die Berechnung des Bremswegs für ein Auto bei einer bestimmten Geschwindigkeit und unter bestimmten Bedingungen. Unter normalen Umständen tritt beim Drehen der Reifen auf der Straße eher statische als kinetische Reibung auf. Die μs für einen trockenen Reifen auf trockener Straße betragen ungefähr 1,00, während der Wert für einen nassen Reifen auf nasser Straße nur 0,2 beträgt - dies bedeutet, dass der Bremsweg bei nassen Bedingungen fünfmal größer ist. Unter trockenen Bedingungen hat ein Auto, das mit 50 km / h fährt, einen Bremsweg von 10 m (33 Fuß), während der Bremsweg unter nassen Bedingungen 50 m (164 Fuß) beträgt. Wenn die Reifen auf der Oberfläche gleiten, anstatt zu rollen - wie es bei eisigen Bedingungen der Fall sein kann - ist die kinetische Reibung wichtig.