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Hast du dich je gefragt, warum deine Hände warm werden, wenn du sie schnell aneinander reibst und warum man ein Feuer entfachen kann, wenn man zwei Stöcke aneinander reibt? Die Antwort darauf ist Reibung. Wenn zwei Oberflächen aneinander reiben, leisten sie sich auf mikroskopischer Ebene Widerstand. Durch diesen Widerstand kann Energie in Form von Wärme freigesetzt werden und deine Hände aufwärmen, ein Feuer entfachen und vieles Mehr. [1] X Forschungsquelle Je höher die Reibung dabei ist, desto mehr Energie wird freigesetzt. Damit du also viel Wärme erzeugen kannst, solltest du wissen, wie man in einem mechanischen System die Reibung zwischen zwei Flächen erhöht.
Vorgehensweise
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Erzeuge eine „rauere“ oder eine Kontaktfläche mit höherem Haftvermögen. Sobald zwei Materialien aneinander gleiten oder reiben, sind drei Möglichkeiten denkbar: Zum einen können sich kleine Kanten, Risse und Unebenheiten an den Oberflächen jeweils ineinander verhaken. Außerdem kann sich eine der Oberflächen wegen der Bewegung verformen und schließlich können auch die Atome jeder Oberfläche miteinander wechselwirken. [2] X Forschungsquelle In der Praxis führen alle drei Effekte zum gleichen Ergebnis: Sie erzeugen Reibung. Um die Reibung auf eine einfache Weise zu erhöhen, solltest du abrasive Oberflächen (wie bei Schleifpapier) verwenden, die sich unter Druck verformen (wie Gummi) oder mit anderen Oberflächen adhäsiv wechselwirken (wie beispielsweise klebriger Leim).
- Um hohe Reibung zu erzeugen, könnten technische Lehrbücher und ähnliche Quellen eine große Hilfe bei der Auswahl von geeigneten Materialien sein. Herkömmliche Baustoffe haben meistens bekannte "Reibungskoeffizienten" — diese sind ein Maß für die Reibung mit anderen Oberflächen. Die Gleitreibungskoeffizienten für einige gängige Materialien sind im Folgenden aufgeführt, höhere Koeffizienten deuten dabei auf eine größere Reibung hin:
- Aluminium auf Aluminium: 0,34
- Holz auf Holz: 0,129
- Trockener Beton auf Gummi: 0,6-0,85
- Nasser Beton auf Gummi: 0,45-0,75
- Eis auf Eis: 0,01
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Drücke beide Oberflächen fester aufeinander. Eines der physikalischen Grundprinzipien ist, dass die Reibungskraft auf ein Objekt proportional zu seiner Normalkraft ist. In unserem Fall ist dies die Kraft die das Objekt auf ein zweites Objekt ausübt, auf dem es gleitet. [3] X Forschungsquelle Das bedeutet, dass die Reibung zwischen zwei Oberflächen erhöht werden kann, wenn die Oberflächen stärker gegen einander gedrückt werden.
- Wenn du schon mal Scheibenbremsen (z.B. an einem Auto oder Fahrrad) benutzt hast, hast du es schon beobachten können. Wenn du in diesem Fall die Bremsen eines Autos betätigt, wird ein Paar reibungserzeugender Beläge auf Metallscheiben gedrückt, die wiederum an den Rädern befestigt sind. Je stärker die Bremsen betätigt werden, desto stärker werden die Bremsbeläge auf die Scheiben gedrückt und desto mehr Reibung wird erzeugt. Dadurch kann das Fahrzeug zwar schnell anhalten, es wird aber auch viel Wärme freigesetzt, sodass die Bremsen bei starkem Abbremsen normalerweise ziemlich heiß werden. [4] X Forschungsquelle Am Fahrrad werden die Bremsbeläge gegen einen Metallrahmen am Rad gedrückt und halten somit die Drehung an.
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Halte Relativbewegung an. Relativbewegung bedeutet, dass sich eine Oberfläche relativ zu einer anderen bewegt und diese Bewegung solltest du anhalten. Bisher haben wir uns nämlich auf dynamische (oder "Gleit-") Reibung konzentriert — Reibung, die zwischen zwei Objekten oder Oberflächen auftritt, wenn sie gegeneinander reiben. Diese Reibung unterscheidet sich von der statischen Reibung — Reibung, die dadurch entsteht, wenn ein Objekt sich gegen ein anderes Objekt in Bewegung setzt. Im Wesentlichen ist die Reibung dann am höchsten, wenn sich zwei Objekte gegeneinander in Bewegung setzen. Sobald sie sich gegeneinander bewegen, erniedrigt sich die Reibung wieder. Deshalb fällt es auch schwerer ein schweres Objekt in Bewegung zu setzen, als es in Bewegung zu halten. [5] X Forschungsquelle
- Führe dieses einfache Experiment durch, um den Unterschied zwischen statischer und dynamischer Reibung zu untersuchen: Stelle einen Stuhl oder ein anderes Möbelstück zuhause auf glatten Boden (nicht auf Teppich). Achte darauf, dass das Möbelstück keine "Schutzpolster" oder anderes Material an der Unterseite hat, mit welchem es leichter am Boden gleiten könnte. Probiere, das Möbelstück "stark genug" anzuschubsen, damit es sich in Bewegung setzt. Dabei sollte dir auffallen, dass es sich etwas leichter bewegen lässt, nachdem es sich in Bewegung gesetzt hat. Das kommt daher, dass die dynamische Reibung zwischen dem Möbelstück und dem Boden weniger stark ist, als die statische Reibung.
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Entferne Schmiermittel zwischen den beiden Oberflächen. Schmiermittel wie beispielsweise Öl, Fett, Vaseline und so weiter können die Reibung zwischen zwei Objekten oder Oberflächen stark reduzieren. Das liegt daran, dass die Reibung zwischen zwei Festkörpern in der Regel viel höher ist als die Reibung zwischen diesen Festkörpern und der dazwischen liegenden Flüssigkeit. Um die Reibung zu erhöhen, solltest du Schmiermittel ausschließen und nur "trockene", nicht eingeschmierte Teile zur Erzeugung von Reibung verwenden.
- Die reibungsmindernde Eigenschaft von Schmierstoffen kannst du mit folgendem Experiment untersuchen: Reibe deine Hände so aneinander, als ob sie kalt wären und du sie aufwärmen willst. Dabei merkst du sofort, wie sie sich durch die Reibung erwärmen. Als nächstes schmierst du deine Handflächen mit einer ordentliche Menge Handcreme ein und wiederholst den Versuch. Nun sollte es nicht nur einfacher sein, die Hände schneller aneinander zu reiben, sondern es sollte auch viel weniger Wärme frei werden.
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Entferne Räder oder Kugellager, um Gleitreibung zu erzeugen. Räder, Kugellager und andere "rollende" Objekte erfahren eine besondere Art von Reibung. Diese wird als Rollreibung bezeichnet und ist meistens viel kleiner als die Reibung, die durch das einfache Gleiten eines Objekts auf dem Boden entsteht. — Deshalb rollen diese Objekte, anstatt auf dem Boden zu gleiten. Um die Reibung in einem mechanischen System zu erhöhen, solltest du also Räder, Kugellager usw. entfernen, sodass die Teile aneinander reiben und nicht aufeinander rollen. [6] X Forschungsquelle
- Betrachte beispielsweise den Unterschied zwischen dem Ziehen eines schweren Gewichts in einem Wagen und dem Ziehen eines ähnlichen Gewichts in einem Schlitten über den Boden. Ein Wagen hat Räder und ist damit leichter zu ziehen als ein Schlitten, der auf dem Boden gleitet und dabei eine höhere Gleitreibung erzeugt.
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Erhöhe die Viskosität des Fluids. Nicht nur Festkörper können Reibung erzeugen, auch Fluide (Flüssigkeiten und Gase wie Wasser und Luft) erzeugen Reibung. Die durch ein Fluid erzeugte Reibung auf ein Objekt, das sich durch dieses Fluid bewegt, hängt von mehreren Faktoren ab. Am einfachsten lässt sich dabei die Viskosität des Fluids kontrollieren. Für Gewöhnlich wird sie auch als sein "Widerstand" bezeichnet. Im Allgemeinen erzeugen hochviskose Fluide (die also "dick", "klebrig" o.ä. sind) eine höhere Reibung als Flüssigkeiten, die weniger viskos (also "weicher" und "flüssiger") sind.
- Betrachte zum Beispiel den Unterschied zwischen Wasser und Honig, wenn du beides durch einen Strohhalm ziehst. Das weniger viskose Wasser kannst du sehr leicht durch den Strohhalm bewegen, während Honig schwieriger durch den Strohhalm zu ziehen ist. Das liegt daran, dass die hohe Viskosität vom Honig eine hohe Reibung erzeugt, wenn er durch ein enges Röhrchen, wie beispielsweise einen Strohhalm, gedrückt wird. [7] X Forschungsquelle
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Erhöhe die Viskosität des Fluids. Das Medium, durch welches sich ein Objekt bewegt, übt auf die Oberfläche dieses Objekts eine Kraft aus. In ihrer Gesamtheit entspricht diese Kraft der auf das Objekt wirkenden Reibung. Je dichter (viskoser) ein Fluid ist, desto langsamer kann sich ein Objekt unter Krafteinwirkung durch dieses Fluid bewegen. Beispielsweise fällt eine Murmel schneller durch Luft als durch Wasser und durch Wasser schneller als durch Melasse.
- In den meisten Fluiden lässt sich die Viskosität durch Temperaturerniedrigung erhöhen. Zum Beispiel fällt eine Murmel langsamer durch kalte Melasse als durch Melasse bei Raumtemperatur.
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Erhöhe die Kontaktfläche zur Luft. Wie oben beschrieben, können Fluide wie Wasser oder Luft Reibung erzeugen, wenn sie gegen Feststoffe bewegt werden. Die Reibungskraft auf das durch ein Fluid bewegte Objekt wird als Strömungswiderstand (Beispielsweise "Luftwiderstand", "Wasserwiderstand") bezeichnet. Objekte, die sich mit größeren Querschnittsflächen durch ein Fluid bewegen, haben einen höheren Strömungswiderstand. In diesem Fall muss das Fluid nämlich einer größeren Fläche entgegenwirken und die Reibung wird somit erhöht.
- Nimm beispielsweise an, dass ein Kieselstein und ein Blatt Papier jeweils ein Gramm wiegen. Wenn wir beide gleichzeitig fallen lassen, wird der Kieselstein direkt zu Boden fallen, während das Papier langsam zu Boden sinkt. Das ist die Wirkung des Strömungswiderstands — die Luft drückt gegen die große, breite Fläche vom Papier und erzeugt dabei einen Luftwiderstand. Dadurch fällt das Papier viel langsamer durch die Luft als der Kieselstein mit vergleichsweise kleinerer Querschnittsfläche.
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Verwende eine Form mit einem größeren Strömungswiderstand. Obwohl die Querschnittsfläche eines Objekts allgemeine Rückschlüsse auf den Strömungswiderstand zulässt, lässt sich der Strömungswiderstand in Wirklichkeit nicht so einfach berechnen. Verschiedene Formen wechselwirken auf unterschiedliche Weise mit Fluiden, wenn sie durch diese gleiten. Das bedeutet, dass einige Formen (beispielsweise flache Platten) einen größeren Widerstand haben können als andere Formen (beispielsweise Kugeln), obwohl sie aus der gleichen Menge an Material bestehen. Das Maß für den relativen Strömungswiderstand einer Form wird als "Strömungswiderstandskoeffizient" bezeichnet, wobei Formen mit hohem Strömungswiderstand höhere Strömungswiderstandskoeffizienten aufweisen.
- Betrachte zum Beispiel einen Flugzeugflügel. Die Form eines gewöhnlichen Flugzeugflügels wird als "Tragfläche" bezeichnet. Diese Form ist glatt, schmal, abgerundet, geschmeidig und gleitet leicht durch die Luft. Sie hat einen sehr niedrigen Strömungswiderstandskoeffizienten von 0,45. Stell dir nun vor, ein Flugzeug hätte scharfkantige, kasten- und prismenförmige Flügel. Diese Flügel würden viel mehr Reibung erzeugen, weil sie nur mit großem Widerstand durch die Luft gleiten könnten. Tatsächlich haben Prismen einen höheren Strömungswiderstandskoeffizienten als Tragflächen, nämlich etwa 1,14.
- Objekte mit größeren, kastenförmigen "Körperformen" treffen generell auf höheren Widerstand als andere Objekte. Andererseits sind Objekte mit stromlinienförmigen Formen schmal, haben abgerundete Kanten und verjüngen sich normalerweise zum hinteren Teil des Objekts hin — wie der Körper von Fischen.
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Verwende ein weniger durchlässiges Material. Einige Stoffe sind für Flüssigkeiten durchlässig. Sie haben also Löcher, durch die die Flüssigkeit austreten kann. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Objekt, gegen welche die Flüssigkeit drücken kann, effektiv reduziert und somit der Strömungswiderstand vermindert. Dies gilt auch dann, wenn die Löcher mikroskopisch klein sind — solange auch nur ein Teil der Flüssigkeit durch das Objekt hindurchgelassen wird, reduziert es den Strömungswiderstand. Um die Fallgeschwindigkeit des Fallschirmspringers durch Erhöhung vom Luftwiderstand zu verkleinern, werden deshalb Fallschirme aus starker, leichter Seide oder Nylon und nicht aus Käsetuch oder Kaffeefiltern gemacht.
- Beispielsweise kann ein Tischtennisschläger schneller geschwungen werden, wenn ein paar Löcher in ihn gebohrt werden. Wenn der Schläger geschwungen wird, lassen die Löcher Luft durch. Der Luftwiderstand wird somit stark reduziert und der Schläger kann sich schneller bewegen.
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Erhöhe die Geschwindigkeit des Objekts. Unabhängig von der Form des Objekts oder der Durchlässigkeit seines Materials steigt sein erzeugter Strömungswiderstand mit der Geschwindigkeit des Objekts. Wenn sich ein Objekt schneller bewegt, muss es eine größere Masse an Fluid passieren, wodurch sich wiederum der Strömungswiderstand erhöht. Sehr schnelle Objekte können sehr hohen Strömungswiderstand erfahren und müssen deshalb sehr windschnittig sein, damit sie unter der Krafteinwirkung nicht auseinander fallen.
- Betrachte beispielsweise die Lockheed SR-71 "Blackbird", ein experimentelles Spionageflugzeug das während des Kalten Krieges gebaut wurde. Die Blackbird konnte mit Geschwindigkeiten von mehr als Mach 3,2 fliegen und erfuhr bei diesen hohen Geschwindigkeiten trotz ihrer windschnittigen Form extreme Widerstandskräfte — so extrem, dass sich der Metallrumpf des Flugzeugs im Flug wegen der durch Reibung erzeugten Hitze ausdehnte. [8] X Forschungsquelle
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Warnungen
- Extrem hohe Reibung kann dazu führen, dass viel Energie in Form von Wärme freigesetzt wird! Zum Beispiel solltest du niemals die Bremsscheiben am Auto anfassen, nachdem du die Bremsen betätigt hast!
- Hoher Strömungswiderstand kann Objekte, die sich durch ein Fluid bewegen, beschädigen. Wenn du beispielsweise die flache Seite einer dünnen Sperrholzplatte ins Wasser steckst, während du mit einem Schnellboot unterwegs bist, wird sie höchstwahrscheinlich brechen.
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Referenzen
- ↑ http://www.livescience.com/37161-what-is-friction.html
- ↑ http://www.school-for-champions.com/science/friction_causes.htm#.VBx4gRbHRL0
- ↑ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/frict3.html
- ↑ http://www.comsol.com/model/heat-generation-in-a-disc-brake-102
- ↑ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/frict2.html
- ↑ http://www.phy.davidson.edu/fachome/dmb/PY430/Friction/rolling.html
- ↑ http://physics.stackexchange.com/questions/40824/is-water-considered-a-substance-with-low-friction-or-high-friction
- ↑ http://www.sr-71.org/blackbird/sr-71/
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