Warum gibt es Reibung? Man unterscheidet: Haftreibung (Haftung) und Gleitreibung

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1 7. eibung Warum gibt es eibung? 7.1 eibung zwischen Oberflächen Einschränkung auf trockene eibung Phänomenologische esetze der eibung Die eibungskraft ist unabhängig von Auflagefläche proportional zur Normalkraft unabhängig von eschwindigkeit ier gilt: Ausnahmen bestätigen die egel! Man unterscheidet: aftreibung (aftung) und leitreibung eibungskräfte wirken der momentanen eschwindigkeit entgegen. (Bei aftreibung gibt es keine elativgeschwindigkeit. Daher ist besser von aftung zu sprechen) 1

2 7.1 aftreibung µ F N F r N F N : Normalkraft F r : eibungskraft µ : aftreibungskoeffizient Die aftreibung hängt nicht von der Auflagefläche, sondern nur von der Andruckkraft und der Oberflächenbeschaffenheit ab. Der Körper beginnt zu rutschen, wenn F sinθ µ F cosθ sinθ F r µ = tan θ, θ = arctan µ F r F r N θ 7.1 Mikroskopische Ursache für aftreibung Bei Zunahme der Normalkraft vergrößert sich die Zahl der Kontaktpunkte aufgrund der elastischen Deformation der Oberflächenunebenheiten. aftung nimmt mit Zahl der Kontaktpunkte zu. Zugrundeliegende Wechselwirkung: Van der Waals Wechselwirkung

3 7.1 leitreibung Wenn der Körpeutscht, wird die eibungskraft geringer: F F N : Normalkraft : eibungskraft = µ N N µ : leitreibungskoeffizient v r F r F r Material µ µ Stahl-Stahl Alu-Alu las-las Teflon-Teflon ummi-beton ummi-beton (naß) µ µ 7.1 Versuch: Stick-Slip Bewegung Quader bewegt sich nicht gleichförmig Stick Slip eibung zwischen Papierflächen Bei Zunahme der Normalkraft findet Übergang zu kontinuierlichem leiten statt Übergang zum leiten auch bei Erhöhung der elativgeschwindigkeit T. Baumberger, et al. Crossover from creep to inertial motion in friction dynamics Nature 367 (1994) 544 3

4 7.1 Übergang von aft- zur leitreibung aftung leiten aftreibung übersteigt leitreibung 7.1 Mikroskopisches Bild der leitreibung Tomlinson 1949 Mikroskopischer Stick-Slip Mechanismus Atom rastet in Bindungsplatz ein und wird aus uhelage ausgelenkt Bei weiterer Bewegung löst sich die Bindung und das Atom schwingt Die Schwingung ist gedämpft Es gibt eibung weil jede Schwingung gedämpft ist 4

5 7.1 ollreibung = µ F N F N : Normalkraft : eibungskraft µ : ollreibungskoeffizient Material µ Stahl Stahl ummi-beton 0.01 µ, << µ µ Viskose eibung Kleine, langsame Kugel mit adius r in einer viskosen Flüssigkeit r r = 6πη rv η: Viskosität der Flüssigkeit eibungskraft ist proportional zur eschwindigkeit Unter Einfluss der ewichtskraft : Nach anfänglicher Beschleunigung konstante Sinkgeschwindigkeit = F 6πη rv = mg r r mg v = 6πη r Kugel Öl 5

6 7.1 Schnelle Bewegung in as und Flüssigkeit eibungskraft ist proportional zum Quadrat der eschwindigkeit v F = 1 v cw ρ A c w Widerstandskoeffizient (Kugel: c w 1, Stromlinienform: c w < 1) ρ Dichte des Mediums (as, Flüssigkeit) A Querschnittsfläche Die Kugel beschleunigt das Medium s = v t auf die eschwindigkeit v m = ρ A s E = mv = ρ Av t E P = = 1 3 ρ Av = v t = ρ A 1 v A 7.1 Leistung beim Autofahren Parameter Auto: m = 1000 kg, A = 3 m, c w = 0.5, ρ Luft =1. kg/m 3 ollreibung: F = µ mg = 100N Luftwiderstand: F 1 cw Av =.9 kg/m = ρ 0 v Leistung: P = F v Bei 50 km/h (= m/s): F ges = 100 N N = 74 N P = 3800 W 4 kw Bei 150 km/h (=41.66 m/s): F ges = 100 N N = 166 N P = 6970 W 70 kw Leistung gegen Luftwiderstand ist proportional zu v 3 6

7 7. Literatur Zusammenfassung 7. eibung Versuch: aftreibung Versuch: leiten auf der schiefen Ebene eibung zwischen Oberflächen aftreibung, Mikroskopische Ursache für aftreibung leitreibung Versuch: Stick-Slip Bewegung Übergang von aft- zur leitreibung Mikroskopisches Bild der leitreibung Messung mit Kraftmikroskop Was ist Dämpfung Viskose eibung, Schnelle Bewegung in as und Flüssigkeit Leistung beim Autofahren 7

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