Reibung überall Kräfte

Transkript

1 Reibung überall Kräfte Ein Film von Wolfgang Voelker Beitrag: Sabine Schmitt und Stefan Gneiting Inhalt Ungebremst über den Schnee gleiten oder ohne Kraftanstrengung schwere Möbel verschieben können wer würde das nicht gerne. Doch selbst auf dem schönsten Schnee verliert ein Schlitten früher oder später an Fahrt und beim Zimmerumräumen kommt Trickfilmfigur Suse ganz schön ins Schwitzen. Schuld daran ist das physikalische Phänomen der Reibung. Die Reibungskraft tritt überall dort auf, wo zwei Körper sich berühren. Sie ist der Bewegungsrichtung entgegen gerichtet und wirkt deshalb bremsend. Sie ist die Ursache dafür, dass Schlitten irgendwann stehen bleiben und dass Suse ihren Kleiderschrank nicht so einfach durchs Zimmer schieben kann. Es gibt aber auch Tricks, mit denen die Reibung sich verringern lässt: So gleiten Schlitten mit polierten Stahlkufen leichter als solche mit rauen Holzkufen, und ein leerer Kleiderschrank lässt sich leichter in Bewegung setzen als ein voller. Würde unser Leben aber leichter werden, wenn wir die Reibung überall ausschalten würden? Ganz bestimmt nicht, denn in vielen Bereichen leistet die Reibung uns nützliche Dienste: Die Mädchen im Film fachen mit Reibungswärme ein Feuer an; eine Technik, die schon die Steinzeitmenschen einsetzten. Heute nutzen wir die Reibung zwischen Felge und Bremsbacken, um das Fahrrad immer rechtzeitig zum Stehen zu bringen und verwenden Schuhe mit Profilsohlen, um sicher einen Berg hinauf gehen zu können. Auch beim Schleifen, Schmirgeln und Mahlen leistet die Reibung wertvolle Arbeit für uns. Und der Film zeigt, dass wir nicht einmal mehr laufen könnten, wenn wir die Reibung ganz abschaffen würden. Auch Trickfilmfigur Suse muss beim Zimmerumräumen schmerzhaft erfahren, dass Reibung selbst bei schweren Arbeiten wie dem Möbelver- Bayerischer Rundfunk 1

2 schieben nicht immer nur hinderlich ist. Und nebenbei lernen wir mit ihr, welche Faktoren die Reibung beeinflussen, mit welchen Mitteln man sie vergrößern oder verringern kann und wo man keinesfalls auf sie verzichten kann. Auch der Schweizer Mathematiker Leonhard Euler beschäftigte sich mit der Reibung. Er löste beispielsweise um 1750 das Seilreibungsproblem und führt den Reibkoeffizienten µ ein. Vor allem durch Amontons Arbeiten animiert, beschäftigte sich Charles Augustin Coulomb mit Reibungsproblemen. Er untersuchte unter anderem die Abhängigkeit der Reibkraft von der Zeit, die die Materialien in Ruhe sind. Und er erkannte, dass der Betrag der Haftreibung größer ist als die Gleitreibung. Seine Erkenntnisse veröffentlichte er 1781 in seinem Buch Théorie des machines simples. Fakten 1. Frühe Geschichte der Reibung Schon die Steinzeitmenschen machten sich die Reibung zu Nutze und entfachten Feuer durch das Feuerbohren, also dem Aneinanderreiben von Holz. Und lange vor unserer Zeitrechnung setzen die Sumerer und Ägyptern Schlitten ein, um die tonnenschweren Steine zu transportieren, die sie für ihre Monumentalbauten benötigten. Die Menschen wussten also schon früh, wie sie sich das Phänomen der Reibung zu eigen machen können, bzw. wie sie die resultierenden Hemmnisse überwinden können. Wissenschaftliche Arbeiten, um die Reibungsphänomene zu erforschen und zu quantifizieren, gab es aber erst viel später. Ende des 15. Jahrhunderts führte Leonardo da Vinci quantitative Studien zur Reibung durch. Er fand heraus, dass der Reibwiderstand unabhängig von der Größe der Kontaktfläche und proportional zum Gewicht des Körpers ist. Und da Vinci machte sich Gedanken, wie man leichtläufige Maschinen konstruieren kann: 1495 beschreibt er das erste von ihm entwickelte Kugellager. Da Vincis arbeiten gerieten jedoch lange Zeit in Vergessenheit. Erst 1699 präsentierte der Franzose Guillome Amontons die eigentlich von da Vinci entdeckten Zusammenhänge zwischen Reibungskraft, Kontaktfläche und Gewicht der Académie Royale und brachte die eigentlich schon längst bekannten Resultate wieder in Erinnerung der Wissenschaftler. 2. Reibungsarten Immer, wenn sich ein Körper bewegt, wirkt eine Reibungskraft (oder kurz: Reibung) auf ihn. Die Reibung ist der Bewegungsrichtung immer entgegen gerichtet und bremst den Körper deshalb ab. Die wichtigsten Reibungsarten sind: Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung. Die Haftreibung ist die Kraft, die man überwinden muss, wenn man einen Gegenstand in Bewegung setzen will; zum Beispiel einen Kleiderschrank auf dem Fußboden. Weil diese Kraft proportional mit der Masse des Körpers wächst, kann Suse ihren leeren Kleiderschrank leichter anschieben als den vollen. Sobald die Haftreibung überwunden ist, rutscht der Kleiderschrank leichter über den Boden, da nur noch die Gleitreibung kompensiert werden muss. Auch sie hängt von der Masse des bewegten Körpers ab. Ein leerer Kleiderschrank lässt sich also leichter schieben als ein voller. Neben dem Gewicht spielt aber noch ein zweiter Faktor eine Rolle: Je nachdem, ob der Schrank über einen rauen Dielenboden oder über glatte Fliesen rutschen soll, braucht man mehr oder weniger Kraft. Am Ende des Films kommt Suse auf die Idee, ihren Kleiderschrank auf Rollen zu stellen, um die Gleitreibung auszuschalten. Trotzdem muss sie für den Möbeltransport noch Kraft aufwenden, um die Rollreibung zu überwinden. Auch sie hängt von den beiden Faktoren Masse des bewegten Körpers und Materialbeschaffenheit von Boden und Rollen ab. Bayerischer Rundfunk 2

3 Wenn man Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung eines bestimmten Gegenstandes auf einer vorgegebenen Oberfläche miteinander vergleicht, stellt man fest, dass die Haftreibung immer die stärkste, die Rollreibung die kleinste Kraft ist. Übrigens: Nicht nur Bewegungen am Boden werden durch Reibungskräfte abgebremst. Auch Luft und Wasser bremsen bewegte Körper ab allerdings sind die Reibungskräfte beim Schwimmen oder Fliegen erheblich geringer als beim Gleiten, Laufen oder Rollen über einen festen Untergrund. 3. Die Reibungsmechanismen Der Reibung liegen mehrere prinzipielle Mechanismen zu Grunde. Adhäsion: Die Adhäsionskraft ist eine elektromagnetische Kraft, die zwischen Atomen oder Molekülen unterschiedlicher Stoffe herrscht. Es handelt sich um sogenannte van-der-waals-kräfte, die eine sehr kurze Reichweite haben. Das heißt, ihre Stärke fällt mit wachsendem Abstand der beiden Oberflächen schnell ab. Bei der relativen Bewegung von Oberflächen gegeneinander werden die durch die Adhäsionskräfte entstehenden Bindungen ständig gelöst und wieder neu gebildet. Die dabei entstehenden Kräfte wirken der Bewegung entgegen. Durch die Adhäsion findet keine Veränderung der Oberflächen statt. Wichtige Anwendungsgebiete für die Adhäsionskräfte sind Klebstoffe oder selbstklebende Briefumschläge. Plastische Deformation: Bei der plastischen Deformation findet, wie die Bezeichnung schon sagt, eine Veränderung der Oberfläche statt. Die plastische Deformation überführt mechanische Bewegungsenergie in andere Energieformen, hauptsächlich Wärme. Abrasion: Die Abrasion oder Furchung findet vornehmlich zwischen Körpern unterschiedlicher Härte statt. Dabei findet eine mikroskopische Eindringung von Rauheitsspitzen des einen Körpers in den anderen statt. Durch die Bewegung werden Teilchen aus dem Körper herausgerissen. Die Abrasion ist wesentlich für den Verschleiß von beweglichen Bauteilen, zum Beispiel Scharnieren oder Achsen, verantwortlich. Das Schleifen von Holz mit Schleifpapier beruht im Wesentlichen auf der Abrasion. Energiedissipation: Bei der Energiedissipation wird mechanische Energie in andere Energieformen umgewandelt. Die Vorgänge sind komplex und bis heute Gegenstand von Forschungsarbeiten. Bei der Energiedissipation kann beispielsweise Energie über Gitterschwingungen abgeführt werden. Es entsteht u.a. Wärme oder Körperschall. 4. Warum die Kreide schreibt Auch das Schreiben mit der Kreide auf der Tafel hat etwas mit Reibung zu tun. Denn die weiße Schrift auf der dunklen Tafel ist nichts anderes als der Abrieb des Kreidestifts, der wegen der hohen Reibung zwischen den beiden Materialien Kreide und Tafel entsteht. Der entscheidende Reibungsmechanismus ist hierbei die Furchung, auch Abrasion genannt. Voraussetzung für die Abrasion ist, dass die beiden Materialien von unterschiedlicher Härte sind; im konkreten Beispiel ist die Kreide wesentlicher weicher als die Tafel. Bei der Abrasion dringt der härtere Körper in die weichere Oberfläche ein und reißt wegen der Vorwärtsbewegung kleine Partikel aus ihr heraus. Die herausgerissenen Kreideteilchen bleiben aufgrund der Adhäsionskräfte an der Tafel haften und machen den Weg sichtbar, den die Kreide auf der Tafel zurückgelegt hat. 5. Es läuft wie geschmiert Eine quietschende Tür lässt sich wieder geräuschlos öffnen, wenn man ein wenig Öl auf das Scharnier tropft; ein Stück Holz ist leichter zu durchsägen, wenn man zuvor ein wenig Schmierseife aufs Sägeblatt gegeben hat; und eine Öllache auf der Straße bringt Autos gefährlich ins Schleudern. Schmiermittel reduzieren die Reibung zwischen zwei Stoffen, weil sie sich wie ein Film zwischen die Gleitflächen legen und diese voneinander trennen. Doch anders als der Begriff Schmiermittel vermuten lässt, müssen sie nicht immer glitschig oder ölig sein: Auch ganz normales Wasser dient manchmal als Schmiermittel, zum Beispiel beim Schlittschuhlaufen. Die Kufen der Schlittschuhe gleiten nämlich genau genommen nicht auf dem Eis, sondern auf Bayerischer Rundfunk 3

4 einem Wasserfilm dahin. Dass der entsteht, ist ein Resultat der Reibung: Die Bewegung der Kufen über das Eis verursacht Reibungswärme, die das Eis schmelzen lässt. Der Wasserfilm zwischen Schlittschuhkufe und Eis dient als dünner Schmierfilm, der die Reibung deutlich herabsetzt. An wolkenlosen Wintertagen, wenn die Sonne das Eis zusätzlich erwärmt und die oberste Schicht ein wenig antaut, können Schlittschuhläufer echte Geschwindigkeitsrekorde aufstellen. Bis vor wenigen Jahren glaubt man übrigens noch, der Druck der Kufen aufs Eis würde die Oberfläche so stark erwärmen, dass die oberste Eisschicht schmelzen würde. Diese Behauptung geistert noch heute durch manche Univorlesung und ist in Büchern zu finden. Sie ist aber mittlerweile widerlegt: Druck kann zwar das Eis punktuell erwärmen, allerdings bringt ein 70 kg schwerer Sportler mit 300 mm langen und 0,5 mm breiten Kufen gerade einmal einen Druck von 4578 kpa aufs Eis. Die beiden Wissenschaftler Jürgen Vollmer vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und Ulrich Vetter vom Institut für Atom- und Kernphysik der Uni Göttingen berechneten, dass das gerade einmal für eine Erwärmung um 0,2 C reicht und sich deshalb nicht als Erklärung für die Entstehung des Wasserfilms eignet. Schon bei Eistemperaturen nur wenige Grad unter dem Gefrierpunkt würde gar kein Wasserfilm entstehen, fassen sie zusammen. 6. Tribologie: Wissenschaft der reibungsfreien Bewegung Die Tribologie ist eine wissenschaftliche Disziplin, die Reibungsvorgänge erforscht. Ziel ist, mit dem Wissen Bewegungssysteme zu optimieren, indem man Reibungseffekte reguliert. Die Natur liefert diesen Wissenschaftlern häufig faszinierende Vorbilder. Ein bekanntes Beispiel ist die Haifischhaut: Ein feines Rillenmuster setzt die Reibung mit dem umgebenden Wasser so stark herab, dass die Haie nahezu widerstandslos durchs Meer gleiten können. Das Vorbild aus der Natur wurde unter anderem bei Schwimmanzügen von Sportlern angewendet, die damit tatsächlich Geschwindigkeitsrekorde aufstellten. Ein noch recht junges Forschungsprojekt förderte am Sandfisch Erstaunliches zutage. Der Sandfisch (Scincus albifasciatus) ist eine rund 15 Zentimeter lange Reptilienart, die in der Sahara zuhause ist. Er kann sich blitzschnell im Sand vergraben und darin schwimmen, denn seine Schuppenhaut setzt dem Sand noch weniger Reibungswiderstand entgegen als High-Tech-Materialien wie Teflon, Nylon, Glas oder polierter Stahl. Darum gleitet der Sandfisch fast widerstandsfrei durch den Sand. Gleichzeitig sind die Schuppen aber so robust, dass die spitzen Sandkörnchen sie nicht zerkratzen können. Unter dem Elektronenmikroskop entdeckten die Wissenschaftler, warum das so ist: Die Haut überzieht ein feines Muster winziger Schwellen, die quer zur Bewegungsrichtung des Sandfischs verlaufen und extrem feine Spitzen tragen. Diese in die Sandfischhaut integrierten Miniaturkämme reinigen auftreffende Sandkörner von anhaftendem feinem Staub, sodass die nunmehr glatten Körnchen mit geringerer Reibung und nahezu ohne Abrieb über die Haut des Tieres gleiten. Die Wissenschaftler haben schon viel Ideen, wo man den Sandfischeffekt anwenden könnte, um Reibung zu vermindern: überall dort, wo flüssige Schmiermittel Nachteile mit sich bringen. Zum Beispiel auf Fußböden, bei denen einen Sandfisch-Oberfläche den Abrieb durch Schmirgelpartikel zwischen Belag und Schuhsohle verhindern könnte. Auch in der Lebensmitteltechnik ist der Einsatz flüssiger Schmiermittel problematisch, weil bei industriell hergestellten oder abgepackten Lebensmitteln immer wieder Spuren davon ins Essen gelangen. Wenn es gelänge, ein Material mit Sandfisch-Eigenschaften herzustellen, könnte man eine wirksame, wartungsfreie Trockenschmierung entwickeln. Doch bis es soweit ist, kann noch viel Zeit vergehen: Bis jetzt ist es im Labor erst gelungen, ein Sandfischimitat mit einer gerade einmal ein Quadratzentimeter großen Fläche herzustellen für eine industrielle Verwertung müssten die künstliche Sandfischhaut aber mehrere Quadratmeter groß sein. Bayerischer Rundfunk 4

5 Didaktische Hinweise Hauptschule PCB 7. Jahrgangsstufe 7.4 Grundlagen der Mechanik Kräfte - unterschiedliche Kräfte, z. B. Reibungskraft - Messen von Kräften Realschule Physik 8.1 Mechanik Reibung - Haftreibungskraft, Gleitreibungskraft, Rollreibungskraft - Modellvorstellung - Zusammenhang zwischen Reibungskraft und Anpresskraft (Normalkraft); Gleitreibungszahl - Bedeutung der Reibungskräfte in Umwelt, Technik und Straßenverkehr Gymnasium Natur und Technik 7. Jahrgangstufe Kräfte in der Natur und Technik - Hinweis auf Reibungs- und magnetische Kraft Lernziele Die Schülerinnen und Schüler sollen die grundlegenden Reibungsarten kennenlernen; verstehen, dass Gleitreibungs- und Rollreibungskräfte kleiner sind als Haftreibungskräfte; lernen, warum Hilfsmittel wie Schlitten, Rollen, und Wagen mit Rädern den Transport schwerer Gegenstände erleichtern; erkennen, dass Reibung auch positive Effekte hat und für viele Vorgänge sogar notwendig ist. Arbeitsaufträge Zähle Vorgänge aus dem Alltag auf, bei denen die Reibung eine große Rolle spielt und erkläre den Einfluss der Reibung. Beispiele können sein: Streichholz anzünden, Bergauf gehen, Schlittschuh laufen, Auto fahren. Reibung kann bei der Fortbewegung oder beim Transport von schweren Dingen äußerst hinderlich sein. Es gibt aber auch Situationen, in denen Reibung das Leben erleichtert. Nenne Beispiele für die positiven Effekte der Reibung beim Fahrradfahren. Erkläre, warum eine Fahrradkette besser gleitet, wenn man sie ölt. Benenne die drei wichtigsten Reibungskräfte und ordne sie nach ihrer Größe. Suse räumt ihr Zimmer wieder um. Welches Möbelstück lässt sich leichter ohne Hilfsmittel vom Fleck bewegen: Eine 40 kg schwere Kommode mit einer Stellfläche von 0,7 qm oder ein 40 kg schwerer Schrank mit einer Stellfläche von 1 qm? Bayerischer Rundfunk 5

6 Literatur- und Internettipps Czichos, Habig: Tribologie-Handbuch, vieweg, ISBN , ein umfassendes Nachschlagewerk Ingo Rechenberg, Tribologie im Dünensand: Sandfisch, Sandboa und Sandschleiche als Vorbild für die Reibungs- und Verschleißminderung. Beiträge zur Bionik und Evolutionstechnik. Technische Universität Berlin, FG Bionik und Evolutionstechnik, Bericht 01/09, ISSN Jürgen Vollmer, Ulrich Vetter: Schlittschuhlaufen: Warum ist Eis so glatt? Welt der Physik, Feuer machen in der Steinzeit: Patrizia Brenner, Die Reibungskräfte - ein im Schulunterricht zu wenig genütztes Konzept, Diplomarbeit zur Erlangung des Magistergrades an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Leopold- Franzens-Universität Innsbruck Bayerischer Rundfunk 6