Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Reibung
Die Reibung ist eine Art von Kleben zwischen Oberflächen, das gegen das Gleiten wirkt. Wenn man eine Oberfläche mit einem starken Mikroskop beobachtet, sieht sie unregelmäßig aus. Auch Flächen, die mit bloßem Aug sehr glatt aussehen, wie ein Spiegel, sehen beim Mikroskop unregelmäßig aus, mit „Bergen“ und „Tälern“, etwa wie in unseren Bildern. Zwischen „Bergen“ einer Fläche und „Täler“ der anderen entstehen sogar Verbindungskräfte. Diese Tatsache führt dazu, dass eine externe Kraft notwendig ist, um das Gleiten eines Objektes erst einmal zu bewirken (Haftreibung). Eine Kraft ist auch notwendig, um einen Körper, der gleitet, auf Bewegung zu halten (Gleitreibung). Die Haftreibung ist also die Kraft, die gegen das Anfangen einer Bewegung wirkt, wenn wir einen Körper zu schieben versuchen. Die Haftreibung beschreibt also die Kraft bei einem bewegungslosen Objekt. Die Gleitreibung wirkt gegen das Gleiten des Objektes, also sie beschreibt die Kraft gegen die Bewegung, wenn ein Körper sich schon im Gleiten befindet.
Obwohl die Reibung als eine Kraft beschrieben wird, die gegen Bewegung (genauer: gegen das Gleiten) wirkt, ist sie für fast alle Bewegungen notwendig. Beispielsweise wären weder das Gehen noch das Rollen ohne Reibung möglich. Beim Rollen z.B. eines Fahrradrads gibt es erst einmal eine Haftreibung. Wenn diese zu niedrig ist, wie bei einer steilen Auffahrt bei relativ glatten Reifen, rollt das Rad „in der Luft“ und das Fahrrad bewegt sich nicht mehr vor- bzw. aufwärts. Die Rollreibung allerdings ist eine Kraft, die doch gegen das Rollen wirkt. Grob gesagt ist sie eine Art von „Kleben“ zwischen den Oberflächen, das das Rollen erschwert.
Die Reibung hängt von der senkrechten Kraft zwischen den Gleitflächen und von der Art der Oberflächen ab.
- Je stärker die Kraft ist, desto größer ist auch die Reibung. Wenn wir bei der Auffahrt mit dem Fahrrad mehr Gewicht auf das treibende Hinterrad stellen, dann sind die Chancen, dass dieses frei „spinnt“ geringer. Bei Rennautos benutzt man Spoilers, die diese Kraft erhöhen.
- Die Wirkung der Art der Oberflächen wird durch den sogenannten „Reibungskoeffizienten“ beschrieben. Dieser hat keine Einheiten (ist eine „Dimensionslose“ Zahl) und ist größer für die Haftreibung und kleiner für die Rollreibung.
Durch die Reibung entsteht Wärme. Das nutzen wir Menschen jedes mal aus, wenn es uns kalt wird. Dann reiben wir z.B. die Handflächen gegeneinander, um dadurch Wärme zu erzeugen. Bei vielen Tätigkeiten allerdings ist die Reibung und die dadurch entstehende Wärme nicht erwünscht, wie z.B. beim Kugellager eines Fahrrads. Wenn weniger Reibung erwünscht ist, benutzt man Schmier- bzw. Gleitmittel.
Das entsprechende der Reibung bei Bewegungen in Fluiden (also Gase und Flüssigkeiten) ist der Luftwiderstand und die Viskosität. Die Rolle des Luftwiderstands wird klar, wenn der Fall eines Blatts Papier und eines zusammengeknüllten Blatts Papier verglichen werden. Die Viskosität hat damit zu tun, wie „dickflüssig“ ein Fluid ist. Öl ist dickflüssiger als Wasser und daher ist das Fließen von Öl schwieriger als das Fließen von Wasser.