Benutzer Diskussion:Gaussianer/Beta/Reibung

Anmerkungen zum Entwurf

Besser als die (noch) aktuelle Seite und verbesserungswürdig.

Überblick

• Der vorletzte Satz ist redundant zur Einleitung.
• Zusammen mit Reibungsarbeit könnte Dissipation erwähnt werden,
• Verschleiß schon mit Tribologie.

Äußere Reibung

• Ursache Adhäsion und Verklammerung ist einleuchtend für Haftreibung, der Zusammenhang mit Gleitreibung fehlt (Mechanismus für die Dissipation).
• Die Formel "F_R=µF_N" impliziert die Amontonssche Gesetze. Die also hier aufführen, statt in eigenem Abschnitt.
• Die Formel muss nicht dreifach auftauchen, weil sich Indizes ändern.
• Dass µ von der Reibungsart abhängt, steht im Fließtext. Dort, statt unter Siehe auch, ist ein Hinweis auf den Stick-Slip-Effekt angebracht.
• Bei manchen Werkstoffkombinationen und hohem F_N tritt abweichend von Amonton Kriechen auf mit F_R~v. Entweder hier abhandeln oder Kriechen (Werkstoffe) ergänzen und verlinken.

Innere Reibung

• Stokes- und Newton-Reibung unterscheiden sich nicht in der Genauigkeit, sondern in Anwendungsbereich. Bei gegebener Viskosität gilt Stokes bei geringerer Geschwindigkeit, Newton bei höherer. Insofern ist die Animation falsch.

Beispiele

• Zwei Abschnitte müssen nicht sein.

Siehe auch

• Einreihen und auflösen.

Gruß – Rainald62 00:41, 28. Nov. 2009 (CET)

Die hier besprochene Version des Entwurfs

Reibung oder 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 oder 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.

Überblick

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. 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. Die Reibung wird in äußere Reibung und innere Reibung unterteilt. Äußere Reibung tritt nur zwischen sich berührenden Festkörpern auf, während innere Reibung die Bewegungshemmung der Teilchen oder Festkörpern in Fluiden beschreibt. Reibung wird im Fachgebiet der Tribologie (Reibungslehre) behandelt.

Äußere Reibung

Äußere Reibung wird auch als Festkörperreibung bezeichnet, weil sie zwischen den Kontaktflächen von sich berührenden Festköpern 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 sind proportional zu den ihren Reibungszahlen. 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.

Haftreibung

→ Hauptartikel: Haftreibung

Die Haftreibungskraft wirkt an den Kontaktflächen zwischen relativ zueinander stillstehenden Körpern. Die größtmögliche Haftreibungskraft zwischen Körpern ist proportional zur Normalkraft zwischen den Körpern und beträgt

$F_{\mathrm {H} }=\mu _{\mathrm {H} }\cdot F_{\mathrm {N} }$,

wobei µ_H der Haftreibungszahl entspricht. 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 als die Haftreibungskraft.

Gleitreibung

Gleitreibung tritt an den Kontaktflächen zwischen Körpern auf, die sich geradlinig zueinander bewegen. Die Gleitreibungskraft ist nur abhängig von der Normalkraft und dem Gleitreibungskoeffizienten zwischen den Körpern.

$F_{\mathrm {G} }=\mu _{\mathrm {G} }\cdot F_{\mathrm {N} }$

Die Gleitreibungskraft ist immer geringer als die Haftreibungskraft bei gleicher Normalkraft.

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.

$F_{\mathrm {R} }=\mu _{\mathrm {R} }\cdot F_{\mathrm {N} }$

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.

Bohrreibung

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

$M_{\mathrm {B} }=\mu _{\mathrm {B} }\cdot F_{\mathrm {N} }$

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.

Amontonssche Gesetze

→ Hauptartikel: Amontonssche Gesetze

Für die Reibung zwischen Festkörpern gelten zwei der Amontonssche Gesetze:

1. Die Reibungskraft ist von der Ausdehnung der Reibfläche unabhängig.
2. Die Reibungskraft direkt proportional zu der Normalkraft zwischen den Reibflächen.

Reibung in der Schmierungstechnik

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).

Innere Reibung

Innere Reibung ist ein Energieverzehr bei Bewegung der Atome bzw. Moleküle eines Stoffes gegeneinander, zum Beispiel bei Strömungen innerhalb eines Öles. Es können äußere Kräfte wie die Schwerkraft auf jedes Flüssigkeitsteilchen wirken und Druckdifferenzen können Beschleunigungen hervorrufen. Innere Reibung bewirkt die Zähigkeit von Materialien bzw. die Viskosität in Flüssigkeiten. Für jedes Flüssigkeitsteilchen müssen sich die äußeren Kräfte, die Druckkräfte, die Reibungskräfte und die Trägheitskräfte das Gleichgewicht halten, wenn das Tribosystem nicht beschleunigt wird.

Die innere Reibung 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.

Unterschied zwischen einem schiefen Wurf ohne jegliche Reibung (Schwarz), mit Stokes-Reibung (Blau) und mit Newton-Reibung (Grün).

Stokes-Reibung

→ Hauptartikel: Gesetz von Stokes

Das Stokessche Reibungsgesetz beschreibt näherungsweise 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.

Newton-Reibung

Das Newtonsche Reibungsgesetz gibt die Reibung eines Körpers in einem Fluid mit besserer Genauigkeit als das Stokes-Gesetz an. Da die Reibung formabhängig ist, gilt für jede Form (z.B. Kugel, Ebene, Stromlinienform) ein Widerstandsbeiwert c_W. 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.

Beispiele für innere Reibung

• Nutzung von Fallschirmen, damit aus dem freien Fall ein kontrolliertes Sinken wird
• Luftbremsen am Flugzeug, um den Abriss der Strömung zu erzwingen
• Verglühen eines Meteors in der Atmosphäre

Beispiele für Reibungsvorgänge

• Die innere Reibung von Fluiden wird in der Fluidmechanik allgemein als Viskosität gemessen.
• Die innere Reibung von Schüttgut definiert sich über den Schüttwinkel.
• Die Rheologie befasst sich mit Reibung in komplexen Flüssigkeiten, zum Beispiel Polymeren und Dispersionen, zu deren Beschreibung die linearen Navier-Stokes-Gleichungen nicht ausreichen.
• Nichtlinear ist auch die Reibung, die bei Verformung in Festkörpern auftritt, etwa durch die Gezeitenkraft in Astronomie und der Modellierung relativistischer Effekte.
• Auch zur Beschreibung von umformtechnischen Prozessen werden Stoffgesetze verwendet, die die innere Reibung berücksichtigen. Diese Stoffgesetze werden in der Plastomechanik verwendet.

Siehe auch

• Tribologie
• Stick-Slip-Effekt
• Gezeitenreibung
• Wurfparabel
• Reibfaktor
• Seilreibung

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 3-540-67192-7. 

• Ernest Rabinowicz: Friction and Wear of Materials. Wiley-Interscience, 1995, ISBN 0-471-83084-4. 

• Frank Philip Bowden, David Tabor: The Friction and Lubrication of Solids. Oxford University Press, 2001, ISBN 0-19-850777-1. 

• 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. 

Weblinks

Wiktionary: Reibung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Versuche und Aufgaben zur Reibung