Die Reibungskräfte - ein im Schulunterricht zu wenig genütztes Konzept

Transkript

1 Die Reibungskräfte - ein im Schulunterricht zu wenig genütztes Konzept Diplomarbeit zur Erlangung des Magistergrades an der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Leopold-Franzens-Universität Innsbruck eingereicht von Patrizia BRENNER im Februar 2004

2 Dank Ich möchte mich bei meinen Eltern bedanken, die mir durch ihre großzügige Unterstützung mein Studium erst möglich gemacht haben und mich auf meinem Weg mit viel Geduld und Verständnis begleitet haben. Ein besonderer Dank gilt auch meinem Betreuer A. Univ.-Prof. Dr. Christoph Leubner, der immer Zeit für mich fand, wenn ich seine Hilfe benötigte und mir zahlreiche wertvolle Ratschläge mitgegeben hat. Bedanken möchte ich mich auch bei meinem Freund Bernhard, der mich in manchen Momenten die Welt aus einer anderen Perspektive sehen lässt. Ein weiterer Dank gilt meiner Tante Therese, meiner Schwester Sabine und all meinen Studienkollegen und Freunden, ohne die mein Studium nicht so schön gewesen wäre. Auch meinem Lektor Mag. Hermann Gems möchte ich hiermit danken. 2

3 Inhaltsverzeichnis 1. Ist über Reibungskräfte im Schulunterricht nicht schon alles gesagt worden? 4 2. Was sagen die Schulbücher zur Reibung? 8 3. Wie verstehen wir die Welt? - Man is a pattern seeking animal [SCHERMER 1999] 3.1 Modellieren der Welt im Alltag 3.2 Modellieren der Welt in der Physik Reibungskräfte mikroskopisch betrachtet 4.1 Alle Körper bestehen aus Teilchen - auch aneinander reibende! Historische Entwicklung Ist Reibung von der Größe der Kontaktfläche wirklich unabhängig? Reibung durch Verhaken und Abtragen Reibung durch Adhäsion Warum kann ein Flüssigkeitsfilm Reibung verringern? Reibung durch Gitterschwingungen 4.2 Reibung auf Schritt und Tritt! Warum können wir laufen? Reibung in der Küche? Schmilzt Eislaufen das Eis? Beim Schleudern soll man von der Bremse steigen? Reibung in der Natur Schlusswort Literaturverzeichnis Bildquellenverzeichnis 53 3

4 1. Ist über Reibungskräfte im Schulunterricht nicht schon alles gesagt worden? Die Reibung ist in unserem täglichen Leben allgegenwärtig, auch wenn uns dies beim ersten Hinsehen oft gar nicht auffällt. Diese Rolle der Reibung im Alltag ist sicher der Grund, weshalb sich in allen Schulbüchern etwas über Reibungskräfte finden lässt. Ohne Reibung wären doch die meisten Beispiele zur Bewegung von Körpern ziemlich unrealistisch und hätten mit der Erlebenswelt der Schüler zu wenig zu tun. Genau das wollen wir im Physikunterricht aber nicht. Mit der Aufnahme von Reibungserscheinungen in die Schulbücher wollen die Autoren zu Recht Alltagserleben, Natur, Technik und Physik enger miteinander verknüpfen. Eigentlich sollte es selbstverständlich sein, dass bei der Frage nach dem Warum der Reibung ein sehr allgemeiner Grundgedanke des Lehrplanes - Alle Körper bestehen aus Teilchen! in umfassender Weise herangezogen wird. Dennoch wird sich im Kapitel 2 meiner Arbeit zeigen, dass den Schulbüchern dazu herzlich wenig einfällt. Mit dem Phänomen Reibung greifen sie zwar ein Thema auf, das den Schülern sehr vertraut ist, jedoch schaffen sie es nicht, die Reibung mit jenen physikalischen Grundbausteinen zu erklären, die bereits vorher eingeführt wurden. Abb. 1.1: Alle Körper bestehen aus Teilchen Dabei wäre es ein Leichtes, beim Thema Reibung den Schülern wieder einmal vor Augen zu führen, wie viel an physikalischer Erklärung der verschiedenen Reibungsphänomene aus der Grundannahme - Alle Körper bestehen aus Teilchen! - heraus zu holen ist. Leider versäumen die Schulbücher die Chance, aus dem Thema Reibung viel mehr zu machen, ohne dafür wesentlich mehr Aufwand treiben zu müssen. Zu all dem kommt in den Schulbüchern auch der wichtige Aspekt zu kurz, dass erst die Reibung Fortbewegung in horizontaler und vertikaler Richtung ermöglicht. Statt dessen wird fast ausschließlich nur die Behinderung von Bewegungen durch Reibung thematisiert. 4

5 Im österreichischen Physikunterricht wird die Reibungskraft üblicherweise schon auf einer niedrigen Schulstufe eingeführt und untersucht. Es geht dabei vorwiegend um mechanische Reibung, welche Bewegungen erschwert und sich in Form von Wärme äußert. Bei vielen Überlegungen wird aber genau diese Reibung bewusst wieder vernachlässigt, um mit einem einfacheren Modell arbeiten zu können. Da man laut Lehrplan die Reibungskräfte im Schulunterricht durchnehmen muss, könnte man durch eine mikroskopische Darstellung von Reibungskräften mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen. Erstens ist die Reibung eine dem Schüler gut vertraute physikalisch Erscheinung. Also würde man direkt an die Schülererfahrungen anknüpfen. Und zweitens kann man die Grundannahme, dass alle Körper aus Teilchen bestehen, durch eine genaue Untersuchung der Reibungsvorgänge an der Grenzschicht zweier aneinander vorbei gleitender Materialien mit einem großen Gewinn an Verständnis ins Spiel bringen. Ich werde in meiner Arbeit weder neue tribologische Ergebnisse liefern noch die neuesten Erkenntnisse dieser Forschungsrichtung zusammen tragen. Ich werde auch keine Einteilung der Reibung nach Haft-, Gleit-, oder Rollaspekten vornehmen, wie es in dem meisten Schulbüchern üblich ist. Vielmehr möchte ich einfache mikroskopische Modelle der Reibung vorstellen, mit deren Hilfe der Schüler seine erlebten Reibungserscheinungen aus seiner realen Umgebung verstehen kann. Die Modelle sollen in erster Linie dem Lehrer helfen, einen mikroskopischen Zugang zur Reibung zu finden. Alleine durch ein geschicktes Zusammenführen des dem Schüler zur Verfügung stehenden Wissens wird es möglich sein, auch in der Reibungskraft die Wichtigkeit der Teilchenstruktur der Materie zu erkennen. Aus den beschriebenen Modellen kann der Lehrer entnehmen, welches elementare Wissen für ein richtiges Verständnis der Reibungskraft notwendig ist. Es soll vor allem sichtbar werden, dass man die Reibungskraft nur dann richtig verstehen kann, wenn man die Wechselwirkung der am Reibungsprozess beteiligten Materieteilchen betrachtet. Mit diesem Ansatz wird gleichzeitig auch wieder die Vorgehensweise der Physik demonstriert. Denn bei den Reibungsphänomenen lässt sich an einer ganzen Reihe von zunächst verschieden anmutenden physikalischen Phänomenen eine wichtige Gemeinsamkeit erkennen, nämlich dass alle Körper aus Teilchen bestehen. Es ist 5

6 nur wichtig, dass man diesen verbindenden Aspekt für die Schüler gut erkennbar herausarbeitet. Für die Reibung bedeutet das, dass wir uns nicht nur von der makroskopischen, für den Schüler direkt zugänglichen Seite her nähern. Wir müssen einen mikroskopischen Zugang zu den Reibungsphänomenen finden, mit dem wir die beteiligten Größen viel genauer und detaillierter beschreiben können. Die kleinsten Rauhigkeiten der reibenden Flächen sind trotz ihrer Kleinheit etwas Makroskopisches, wenn auch auf einem viel kleineren Maßstab als jeder der Dimensionen der Dinge des Alltags. Wir werden jedoch die Reibmaterialien so genau untersuchen, dass wir die Wechselwirkungen der sie aufbauenden Teilchen betrachten werden. Damit bewegen wir uns auf der mikroskopischen Ebene. Es gibt einige Fakten, durch welche die makroskopischen Reibungsbeobachtungen in vielen Schulbüchern charakterisiert werden: Grundsätzlich wird einmal eine Einteilung in Haft-, Gleit- und Rollreibung vorgenommen. Weiters wird betont, dass die auf den Körper einwirkende Normalkraft von entscheidender Bedeutung ist. Die Reibung scheint - den meisten Schulbüchern zufolge - unabhängig von der Auflagefläche zu sein, was der intuitiven Erfahrung eigentlich schon widerspricht, wenn man nur an einen Kreisel denkt. Setzt man ihn nämlich in Rotation, so tanzt er anfangs ziemlich lange auf seiner Spitze herum, ohne merklich an Rotationsgeschwindigkeit zu verlieren. Wenn er jedoch schließlich instabil wird und kippt, dreht er sich auf der nun wesentlich größeren Fläche nicht mehr lange weiter. Die Reibung an der größeren Berührfläche nimmt ihm jetzt anscheinend doch mehr Energie weg als vor dem Umkippen, denn die Auflagekraft hat sich wohl kaum verändert. Der Schüler weiß sich im richtigen Leben zu helfen, wenn seine Zimmertüre quietscht. Er nimmt sich Öl als Schmiermittel und gibt es zwischen die Grenzflächen. Auch unsere Erfahrung lehrt uns, dass Reibung etwas mit der Oberflächenrauhigkeit zu tun haben muss. Auf dem Tanzparkett rutscht man jedenfalls leichter aus als auf dem Asphaltgehsteig neben der Straße. Das scheinen wichtige Eigenschaften der Reibung zu sein, wenn man die Häufigkeit ihres Erscheinens in den Schulbüchern heranzieht. Ich möchte mit meiner Arbeit natürlich nicht die Richtigkeit der beschriebenen Reibungseigenschaften der 6

7 Lehrbücher in Frage stellen. Mein Problem mit den Schulbüchern liegt eher in der Art und Weise, wie Schüler zum Phänomen Reibung hingeführt werden. Es wird einfach diese wertvolle Chance verpasst, die Reibung als klassisches Beispiel für die Darstellung einer aus Teilchen aufgebauten Materie zu nützen. Wenn man manche nur mikroskopisch beobachtbaren Reibungseigenschaften heranzieht, sieht man, dass die makroskopischen Reibungsgesetze auf atomarer Ebene nicht so einfach anwendbar sind. Es ist natürlich klar, dass für einen Schüler die mikroskopische Welt nicht von so großer Relevanz ist, da sich sein Leben in einer ganz anderen Größenordnung abspielt. Jedoch ist das mikroskopische Untersuchen der Reibungsphänomene deshalb wertvoll, weil sie einfache Erklärungen für makroskopische Erscheinungen liefern, womit wir wieder auf die Ebene der Erlebenswelt des Schülers zurückgelangen. Deswegen ist es wichtig, ihnen auch diese etwas andere Welt zu zeigen. Ich werde also die Reibungsphänomene so darstellen, dass das einheitliche mikroskopische Herangehen im Mittelpunkt steht. Natürlich ist meine Arbeit in erster Linie an PhysiklehrerInnen gerichtet, die mit abstrakteren Modellen auch umgehen können. Elemente aus den mikroskopischen Modellen sollen jedoch in jedem Fall auch für Schüler verständlich sein. 7

8 Was sagen die Schulbücher zur Reibung? 2. Was sagen die Schulbücher zur Reibung? Bei der Prüfung der für den Unterricht an der Unter- und Oberstufe der verschiedenen Schultypen zugelassenen Schulbücher habe ich besonders nach mikroskopischen Erklärungen des Phänomens Reibung gesucht. Wie erwartet findet sich dazu sehr viel weniger, als man angesichts der Lehrplanforderung Alle Körper bestehen aus Teilchen! erwarten sollte. Denn wenn schon für die Schüler alle Körper aus Teilchen bestehen sollen, dann müssen diese Teilchen auch bei den Ursachen der Reibungskräfte im Mittelpunkt der Erklärungen stehen. Die Behandlung der Reibungskräfte ist laut Lehrplan ein Teilabschnitt der Mechanik und damit in der fünften AHS Klasse und in der ersten BHS Klasse angesiedelt. Auch in der Unterstufe der Allgemeinbildenden Höheren Schulen sowie in den Hauptschulen findet man das Kapitel Reibung im ersten Unterrichtsjahr. Daher bespreche ich zuerst kurz ein paar Bücher für die Unterstufe und dann anschließend ausführlicher verschiedene der Oberstufenphysiklehrbücher. In den Büchern für die Unterstufe fällt auf, dass zwar durchwegs von Reibungskräften die Rede ist, diese jedoch ohne Erklärungen lediglich in ihren Merkmalen beschrieben werden. So lesen wir etwa in PHYSIK UND CHEMIE IN UNSERER WELT 2, Kaufmann, Zöchling (gedacht für die zweite Klasse AHS und HS): Beim Rutschen (Gleiten) eines Körpers oder beim Rollen eines Rades tritt eine Kraft entgegen der Bewegungsrichtung auf. Diese Kraft heißt Reibungskraft. Ohne sie würde ein Auto auf ebener Straße - entsprechend dem Trägheitsgesetz - auch ohne Antrieb weiterfahren.... Die Gleitreibung wird um so größer, je stärker die Reibungsflächen aneinandergepresst werden und je rauer die Reibungsflächen sind. Die Reibungskraft ist außerdem vom Material der Reibflächen, nicht aber von ihrer Größe abhängig. (S ) Das vom Lehrplan geforderte Lernziel des Erkennens von unerwünschten Eigenschaften der Reibung wird von dieser lexikographischen Aufzählung der Eigenschaften der Reibungskraft durchaus unterstützt. Dagegen bleiben die erwünschten Eigenschaften der Reibung, welche unsere gewohnte Fortbewegung auf der Straße erst ermöglichen, auf der Strecke, obwohl auch das ein wesentliches 8

9 Was sagen die Schulbücher zur Reibung? Lernziel des Lehrplanes wäre. Dies ist genau das von mir in der Einleitung angesprochene sehr abträgliche Versäumnis einiger Lehrbücher. Zur Erfüllung der Lehrplanforderung, neben dem Erkennen auch das Verstehen der Reibungskraft als Wechselwirkung der Materieteilchen der Körperoberflächen zu fördern, bedarf es jedoch mehr als nur der Aufzählung von Merkmalen, die der Schüler einfach als gegeben hinnehmen muss. Hinzu kommt, dass insbesondere die behauptete Unabhängigkeit der Reibungskraft von der Größe der Reibfläche rein gar nicht in die Erfahrungswelt des Schülers passt. Intuitiv erkennt ein engagierter Schüler darin spätestens dann einen Widerspruch zur Erfahrung, wenn er sich zwei gleich schwere Maibäume als Zylinder vorstellt, von denen der eine lang und dünn, der andere kurz und breit ist. Wenn beide senkrecht auf dem Rasen stehen, dann gräbt sich der lange, dünne Maibaum so weit in den Boden hinein, dass er sich nicht verschieben lässt, während der dicke, kurze nicht einsinkt und sich über den Boden bewegen lässt. Ersetzt man jedoch die Behauptung die Reibungskraft ist unabhängig von der Größe der Kontaktfläche durch eine mikroskopische Sichtweise - wie ich es weiter unten tun werde - dann kommt alles wieder ins Lot! Eine andere Passage lautet: Zwischen zwei Gleitflächen tritt Reibung auf, weil auch scheinbar glatte Flächen Unebenheiten haben, die beim Gleiten durch Anheben des Körpers, Wegbiegen oder Wegbrechen überwunden werden müssen. (S. 26) Indem von scheinbar glatten Flächen gesprochen wird, versuchen die Autoren auf - ihrer Meinung nach - mikroskopisch kleine Unebenheiten hinzuweisen und so bei der Erklärung der Reibung sehr wohl die mikroskopische Sichtweise ins Spiel zu bringen. Dies ist aber eine Fehlmeinung. Denn die Unebenheiten, von denen da die Rede ist, sind keineswegs mikroskopisch (worunter ich in dieser Arbeit immer molekulare Größenordnungen verstehe), sondern sehr wohl makroskopisch, wenn auch auf einer viel kleineren Längenskala als die den Schülern von den Gegenständen des Alltags vertrauten Längenskalen. Auch lassen sich die dem Schüler aus seiner Erfahrung geläufigen Reibungsphänomene nicht durch ein Modell mit Verhaken und Abtragen erklären, wie ich in den Abschnitten und erklären werde. Es ist vielmehr die Adhäsion zwischen den Molekülen der reibenden und der geriebenen Fläche, die die beobachteten Phänomene richtig beschreibt. 9

10 Was sagen die Schulbücher zur Reibung? Ich finde es bedenklich, dem Schüler eine offensichtlich falsche Erklärung zu geben, nur weil man glaubt, ihm die richtige Beschreibung des Phänomens nicht zumuten zu können. Hinzu kommt, dass es einfach nicht stimmt, dass junge Schüler das Adhäsionsmodell noch nicht verstehen können: Dass die beteiligten Flächen aus lauter kleinen Teilchen aufgebaut sind, die aufeinander Kräfte ausüben, kann sich ein Zweitklässler leicht vorstellen, wenn man ihm ein entsprechendes Modell aus Plastikkugeln zeigt oder eine passende Zeichnung dazu malt. Auf diese Weise lassen sich die Adhäsionskräfte so darstellen, dass sie von Zweitklässlern verstanden werden können, wenn man zu ihrer Erklärung nur Elemente verwendet, welche den Schülern vertraut sind. Abb. 2.1: Darstellung der Materie als eine aus Teilchen aufgebaute Substanz Ich sehe es als wichtiges Ziel eines guten Physikunterrichtes an, besonders in der Unterstufe vom Faktenwissen wegzukommen. In den ersten Physikstunden werden die Schüler geprägt. Besonders da kann man ihre intuitive Fähigkeit zum Modellieren anregen. Schon die kleinsten Kinder verstehen ihre Lebenswelt, indem sie ihre neuen Eindrücke auf ihnen bereits bekannte Phänomene zurückzuführen versuchen. Und warum sollte man in der Schule von dieser bewährten Strategie abgehen? Leider findet man eine korrekte Darstellung in keinem der von mir geprüften Schulbücher. Dies ist sehr bedauerlich, denn für sehr viele physikalische (und auch nicht physikalische) Überlegungen leistet eine Sichtweise von aus Teilchen aufgebauten Materialien wesentlich mehr als die lapidare Formel F R =µ F N. Und mit der Gewöhnung an diese Sichtweise lässt sich sehr gut bei der Reibung beginnen. Auch wenn ihnen dabei die Methodik der Physik noch nicht bewusst werden kann, werden sie doch schon frühzeitig in ihrem physikalischen Denken in die richtigen Bahnen gelenkt. Für mich ist es ein großes Versäumnis, wenn die Schulbücher eine 10

11 Was sagen die Schulbücher zur Reibung? solche Gelegenheit, den Schülern physikalisches Denken anzuerziehen, ungenutzt lassen. Ähnlich wie das Unterstufenlehrbuch von Kaufmann-Zöchling ist PHYSIK IM BLICK 2, Duenbostl, Oudin, Wandaller, Überreuter 1986 (für die zweite Klasse AHS), aufgebaut: Das Auftreten einer Reibungskraft beobachten wir immer dann, wenn ein Körper auf einer Unterlage gleitet oder rollt bzw. wenn zwei einander berührende Flächen gegeneinander verschoben werden.... Selbst glatte Flächen weisen noch mikroskopisch kleine Unebenheiten auf, so dass sich die gegeneinander bewegten Körper mehr oder weniger ineinander verhaken. Es ist daher eine Kraft notwendig, um den bewegten Körper entweder über die Unebenheiten hinweg zu heben oder diese wegzubiegen oder sogar abzubrechen. Außerdem sind an den Berührungsstellen auch noch Molekularkräfte wirksam. (S. 34) Auch hier werden zuerst grundsätzliche Eigenschaften der Reibungskraft genannt, und dann wird mit einem Verhakungsansatz zu erklären versucht. Wieder ist zu kritisieren, dass den Schülern eine grundsätzlich falsche Erklärung für die Reibungsphänomene geboten wird, denn die halbherzig angefügte Bemerkung, dass an den Berührungsstellen auch noch Molekularkräfte wirksam sind, ist als Erklärung völlig unzureichend, insbesondere für einen 11- oder 12-jährigen Schüler! Dies gilt auch für PHYSIK 1, Querschnitt, Westermann, Wien, 2001 (für die zweite Klasse HS und AHS): Gleitet ein Körper erst einmal, so ist die Verzahnung geringer und daher auch weniger Kraft notwendig. Eine dünne Flüssigkeitsschicht verhindert ein zu starkes Ineinandergreifen dieser Zacken und Vertiefungen sie wirkt als Schmiermittel.... Rollt ein Körper ab, so verhaken sich die Unebenheiten der Oberflächen zwar ähnlich wie Zahnräder, lösen sich jedoch beim Weiterrollen wieder leicht voneinander.... Beim abrollenden Reifen kommt zunächst die Rollreibung zum Tragen. Die Unebenheiten der Oberfläche verzahnen sich, die Auflagestelle des Reifens ist gegenüber der Fahrbahn in Ruhe - es ist die Haftreibung wirksam. (S S 31) Hier wird zwar versucht, eine detailliertere Erklärung der charakteristischen Reibungseigenschaften zu geben, jedoch wieder nur im Rahmen eines 11

12 Was sagen die Schulbücher zur Reibung? Verhakungsmodells und nicht über Molekularkräfte. Natürlich könnte man einwenden, dass eine solche Betrachtungsweise in der Unterstufe noch nicht notwendig ist. Doch wie oben dargelegt denke ich trotzdem, dass es wesentlich sinnvoller wäre, dem Unterstufenschüler bei jeder sich bietenden Gelegenheit das Teilchenmodell der Materie näher zu bringen, also auch bei der Erklärung von Reibungsphänomenen. So weit meine Eindrücke von der Unterstufenliteratur. Besonderes Augenmerk legte ich jedoch bei meinen Schulbuchuntersuchungen auf die Oberstufenlehrbücher. Als ein allgemeines Lernziel für die Physik in den fünften AHS- oder den ersten BHS- Klassen wird verlangt, den Einfluss der Reibung auf die Bewegung zu erkennen. Diese Formulierung ist sehr frei, und meine Erwartungen hinsichtlich einer korrekten physikalischen Modelldarstellung der Reibungskraft waren größer als bei den Unterstufenschulbüchern. Doch selbst in den neueren Schulbüchern der Oberstufe sucht man vergeblich nach einer befriedigenden mikroskopischen Darstellung der Reibung. Ähnlich wie in den Unterstufenlehrbüchern wird auch in der Oberstufe die positive Seite der Reibung, nämlich das Ermöglichen einer Fortbewegung, entweder ganz verschwiegen oder mit höchstens einem Satz erwähnt. Ein solches Beispiel ist PHYSIK HTL BAND 1 - MECHANIK WÄRME, Kraker Paill, Dorner, Wien 1990 (für HTL Klassen): Betrachtet man die glatte Oberfläche eines Körpers unter dem Mikroskop, so findet man noch immer Unebenheiten. Die Erhebungen und Vertiefungen von Körper und Unterlage verzahnen sich ineinander. (S. 54) Hier wird Reibung also wieder ausschließlich durch Verhaken erklärt. Zudem wird behauptet, dass die Reibungskraft von der Berührfläche unabhängig sei: Die Reibungskraft ist von der Größe der Berührungsfläche nahezu unabhängig. Das kann man einsehen, wenn man bedenkt, dass einander Körper und Unterlage eigentlich nur in drei Punkten berühren. (S. 54) Tatsächlich kann eine solche Kontaktfläche bedeutend mehr als nur drei Berührpunkte haben. In den fünften AHS Klassen und in den ersten BHS Klasse wird häufig mit PHYSIK AKTUELL 1, Mathuber, Schiestl, Steinhäusler, Naturwissenschaftliche Verlagsgesellschaft m. b. H., Salzburg 2001, gearbeitet. Darin werden zwar Adhäsionskräfte genannt, aber so beiläufig, dass Schüler darin wohl keine weitere 12

13 Was sagen die Schulbücher zur Reibung? Manifestation des am Beginn des Oberstufenphysikunterrichtes gelernten - Alle Körper bestehen aus Teilchen! - sehen können. Man kann dem Text zwar zugestehen, dass er über die Darstellung von Fakten hinaus auch Erklärungen zu geben versucht, doch ist er dabei nur begrenzt erfolgreich. Betrachtet man selbst sehr glatte Metalloberflächen unter dem Mikroskop, ähneln sie Gebirgslandschaften. Diese Erhebungen zweier fester Oberflächen verzahnen sich ineinander wie Bürsten und verursachen gemeinsam mit Adhäsionskräften die Reibung. (S. 65) Positiv anzumerken ist bei diesem Lehrbuch, dass es mehr an die erlebten Erfahrungen der Schüler anknüpft als andere:... Die Räder versuchen beim Bremsen den Straßenbelag nach vorne zu schieben. Bei Rollsplitt gelingt es ihnen, beim Asphalt nicht.... Die Reaktionskraft der Straße auf die Reifen heißt Gleitreibungskraft. Gleitreibung tritt auf, wenn zwei einander berührende Festkörper mit gleich bleibender Geschwindigkeit gegeneinander verschoben werden. (vgl. S. 64) Auch die Beobachtung, dass die Haftreibung größer als die Geleitreibung ist, wird anhand eines Beispiels aus dem Erlebnisbereich des Schülers demonstriert: Das ABS vermeidet bei Vollbremsung das Blockieren der Reifen. Es wirkt die größere Haftreibung und dadurch gibt es eine bessere Bremswirkung. (vgl. S ) Das bekannte und viel gelobte Schulbuch PHYSIK 1, Schreiner, hpt, Wien 1989, (für AHS- und BHS-Klassen) geht noch weniger mikroskopisch an die Reibungskraft heran. Zwischen Festkörpern kann Haftreibung oder Gleitreibung auftreten. Die maximale Haftreibungskraft kann deutlich größer sein als die Gleitreibungskraft. Die Reibungskraft hängt wesentlich nur von der Beschaffenheit der Reibungsflächen und der Normalkraft ab, zu der sie proportional ist. (S. 40) Auch hier steht die Darstellung von Fakten im Mittelpunkt. Genau solche Merksätze verleiten jedoch dazu, auswendig zu lernen, anstatt zu verstehen. Das Anbinden des Neuen an bereits vorhandene Kenntnisse und Erfahrungen, um so zu einem Verständnis des Neuen zu kommen, beschränkt sich in diesem Buch ausschließlich auf ein einziges Beispiel aus der Lebenswelt des Schülers, nämlich das Abbremsen eines Autos. Es enttäuscht mich sehr, dass auch dieses Schulbuch so tut, als 13

14 Was sagen die Schulbücher zur Reibung? steckten alle Einsichten zur Reibung für den Schüler in der Hinnahme der Formel FR =µ F N. Hinzu kommt, dass die Erklärung der Reibung auch wieder ausschließlich durch das Modell zweier ineinander greifender Bürsten dargestellt wird. Darüber, dass alle Körper aus Teilchen bestehen und alle aneinander reibenden Flächen eben solche aus Teilchen aufgebauten Körper sind, deren Moleküle Kräfte aufeinander ausüben, ist hier nichts zu finden. Viel besser ist da schon PHYSIK 1, Sexl, Raab, Streeruwitz, hpt, 1992 (für AHS- und BHS-Klassen): Reibungskräfte sind, wie auch die Federkraft, auf elektrische Kräfte zwischen den Atomen bzw. Molekülen zurückzuführen. (S. 36) Auch wenn keine genauere mikroskopische Beschreibung der Reibungskräfte folgt, wird zumindest in diesem einführenden Satz auf die Molekularkräfte als Ursache für Reibungskräfte hingewiesen. Dann folgt eine Einteilung in Haft-, Roll- und Gleitreibung, deren Ursachen auch hier bloß im mechanischen Ineinandergreifen der Oberflächenrauhigkeiten gesehen werden: Die Reibungskraft hat ihre Ursache in der Verzahnung, welche die Oberflächenstrukturen bei der Berührung erfahren, und hängt daher stark von der Oberflächenbeschaffenheit ab. (S. 36) Sicher ist die Reibung bei vorhandenen Oberflächenrauhigkeiten (wie etwa bei Schleifpapier auf Fichtenholz) größer als bei glatten Oberflächen, aber hauptsächlich wegen der dadurch stark vergrößerten Kontaktoberfläche, die viel mehr Molekülen Gelegenheit gibt, mit ihren Adhäsionskräften wirksam zu werden. Positiv ist jedoch hervorzuheben, dass in diesem Buch die Notwendigkeit der Reibungskraft für jede Fortbewegung betont wird - was in Oberstufenschulbüchern beileibe keine Selbstverständlichkeit ist. Vor allem im Physikunterricht der Oberstufe in Deutschland wird mit dem Lehrbuch PHYSIK, Dorn, Bader, Schroedel 1987 gearbeitet. Ich nenne es dennoch, weil es eines der wenigen Schulbücher ist, in denen die Reibungskraft direkt in Verbindung mit Adhäsionskräften gebracht wird. Wie diese Gleitreibungskraft zustande kommt, sehen Sie unmittelbar, wenn Sie zwei Bürsten - die Borsten ineinander verkeilt - gegeneinander verschieben. Bei dieser Relativbewegung der Bürsten gegeneinander erzeugen die verbogenen Borsten entgegengesetzt gerichtete Reaktionskräfte an beiden Bürsten. Wenn Körper sich enger berühren, so wirken dabei nicht nur die Rauhigkeiten der Oberflächen, sondern auch molekulare Anziehungskräfte 14

15 Was sagen die Schulbücher zur Reibung? (Adhäsion) mit. (S. 45) In dieser Beschreibung zeigt sich, dass sich dieses Lehrbuch unwesentlich von Mathubers, Schiestls, Steinhäuslers PHYSIK AKTUELL 1 unterscheidet. Es ist ähnlich aufgebaut, und man findet in beiden Büchern zum Teil die selben Formulierungen. Dorns und Baders Buch ist manches Mal in seinen Ausführungen ein bisschen genauer. Ich habe noch folgende weitere Physiklehrbücher untersucht: BASISWISSEN 1, Jaros, Nussbaumer, Kunze, hpt, Wien, 1990; PHYSIK 1, Lepold, Österreichischer Gewerbeverlag 1985, sowie das Physikbeiheft SPORT UND PHYSIK, Mathelitsch, hpt, Wien, Auch in diesen Schulbüchern kommt wenn überhaupt nicht deutlich hervor, dass die Molekularkräfte Ursache der Reibungswirkung sind. Sie unterscheiden sich kaum von den schon genannten Unterrichtsbüchern, deswegen habe ich nur mehr ihre Namen angeführt. Bevor ich nun die Reibungskräfte mit dem Adhäsionsmodell erklären werde, möchte ich noch kurz auf das Modelldenken im Alltag und im Besonderen auf das Modelldenken in der Physik eingehen. 15

16 Wie verstehen wir die Welt? - Man is a pattern seeking animal 3. Wie verstehen wir die Welt? Man is a pattern seeking animal [SCHERMER 1999] 3.1. Modellieren der Welt im Alltag Irgend etwas im Menschen veranlasst ihn, ständig nach Mustern und Regelmäßigkeiten zu suchen. Sei es sein Vorgehen beim Erlernen neuer Fähigkeiten oder einfach nur sein Verhalten in den Situationen eines ganz gewöhnlichen Arbeitstages - immer lässt sich darin eine gewisse Strategie erkennen. Auch wenn wir das nicht bewusst wahrnehmen, es gibt kaum einen Denkvorgang, der nicht von Abstrahieren und Modellieren bestimmt ist. Diese Fähigkeit ist uns angeboren und lässt sich schon bei Kleinkindern erkennen. Wie ein einjähriges Kind seine Umgebung wahrnehmen und verarbeiten kann, ist für mich faszinierend. Dieses kleine Kind hat zunächst ein angeborenes Interesse an seiner Umwelt. Wenn es beispielsweise in der Natur einen Baum sieht, spielen sich in seinem Gehirn unglaubliche Denkleistungen ab. Das wahrgenommene Objekt könnte ein mächtiger grüner Baum inmitten einer großen Blumenwiese sein, der von Abb : Realer Baum aus der Lebenswelt eines kleinen Kindes ein paar Bäumchen umgeben ist. Wenn die Mutter des Kleinen dieses Objekt Baum nennt, wird eine Information aufgenommen und sogleich in diesem noch so jungen und kleinen Gehirn in unglaublich komplexer Weise verarbeitet: Das Gehirn beginnt zu abstrahieren. Das heißt, es vermag Eindrücke bei seiner ersten Begegnung mit dem Baum in wichtige und unwichtige zu teilen als unwichtig werden beispielsweise auf rätselhafte Weise die Blumenwiese, auf der der Baum steht, das herrschende Wetter, die Tageszeit der Beobachtung, usw., eingeschätzt. 16

17 Wie verstehen wir die Welt? - Man is a pattern seeking animal Und mit dieser Abstraktionsleistung baut das Kind in seinem Kopf eines seiner ersten Modelle auf das Modell Baum. Wenn es dann zu Hause mit seinen Holzfiguren spielt, zeigt es auf Mutters Frage, wo denn der Baum sei, ohne zu zögern auf einen Holzklotzbaum! Das kleine Gehirn des Kindes erkennt im vorliegenden Holzklotz die wesentlichen Merkmale eines Baumes, die es sich vorher durch Weglassen unwichtiger Einzelheiten am Baum in der Wiese verschafft hat! Seine gespeicherten Merkmale eines Baumes passen mit den Eigenschaften des vorliegenden Baumes so weit zusammen, dass das Kind dem Klotz den selben Begriff zuordnen kann, ohne ihn selbst artikulieren zu können. Dieses kleine Kind schafft mit kaum 2 Jahren durch sein reales Erlebnis die Zuordnung echter Baum zu Holzklotzbaum. Und genau damit verwen- det es das selbe Modelldenken, mit dem Abb : Erkennen der wesentlichen Merkmale eines realen Baumes in einem Holzklotzbaum wir Erwachsene an die naturwissenschaftliche Welt herangehen. Dafür verwendet es in seinen Modellen zwar noch keine mathematischen Modellbausteine, sondern die verwendeten Modellbausteine sind wahrscheinlich reale Dinge aus der materiellen Welt, die es bis dahin erlebt und wahrgenommen hat. Aber immerhin geht es wie der Physiker von der Realwelt aus, konstruiert sich ein passendes Modell, zieht aus dem Modell Schlüsse und übersetzt diese Schlüsse wieder zurück in Eigenschaften der Realwelt. 17

18 Wie verstehen wir die Welt? - Man is a pattern seeking animal Klasse von realen Vorgängen aus der Lebenswelt, die physikalisch verstanden werden soll Unwesentliche Merkmale weglassen: ergibt Klasse von idealisierten Vorgängen Für die Klasse der idealisierten Vorgänge Erfindung eines Modells aus mathematischen Bausteinen Von einem passenden realen Vorgang unwesentliche Merkmale weglassen Schlussfolgerung aus dem Modell im Rahmen der gewählten Logik Passender idealisierter Vorgang Besteht Übereinstimmung zwischen Vorhersage u. dazu passendem idealisierten Vorgang? Vorhersage über einen bestimmten idealisierten Vorgang Abb : Schema des Modellierens und Überprüfens Die Vorgangsweise, mit der sich dieses Kleinkind an die Welt herantastet, ist unglaublich kompliziert, jedoch steckt in seinem Vorgehen ein klares Muster. Dieses Muster lehrt uns von klein auf, wie wir Neues kennen lernen, aufnehmen und verstehen können. Unbewusst merken wir schon als kleine Kinder, dass sich ein gewisses systematisches und schematisches Vorgehen bewährt und uns in unserer Entwicklung weiter bringt. Modellieren ist also eine in den menschlichen Genen tief verwurzelte Eigenschaft. Diese unglaubliche Fähigkeit steckt also von Anfang an in jedem Menschen und muss zu ihrer vollen Entfaltung nur immer wieder von außen angeregt werden. 18

19 Wie verstehen wir die Welt? - Man is a pattern seeking animal 3.2. Modellieren der Welt in der Physik So wie das kleine Kind an die Welt, die sich in seiner Umgebung darbietet, heran geht, genau so gehen wir auch in der Physik an die Welt, die dort aus physikalischen Phänomenen besteht, heran. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass sich Physiker mit viel komplizierteren Phänomenen beschäftigen als kleine Kinder. Ich werde in meiner Diplomarbeit das Modelldenken der Physik nicht mehr von Grund auf erläutern, denn ich kann dazu auf die Einleitungen der Diplomarbeiten von Karin Lenz [LENZ 2002] und Michaela Kohles [KOHLES 2001], sowie auf die Doktorarbeit von Anna Puntajer [PUNTAJER 1998] verweisen. Mit der Erinnerung an die Art und Weise, wie kleine Kinder sich die Welt verständlich machen, möchte ich nur zeigen, wie nahe wir dem Modelldenken der Physik schon am Anfang unseres Lebens sind. Man muss den Schülern nur mit Beispielen aus dem Alltag wieder bewusst machen, dass sie - ohne es zu wissen - ständig modellieren und damit ständig verstehen und Neues dazulernen. Beispielsweise können wir unseren Schülern die große Erkenntnis von L. Wittgenstein bewusst machen, dass wir auch bei der sprachlichen Kommunikation nur reale Situationen und Vorgänge in Modelle gefasst haben, die aus Wörtern als Bausteinen bestehen, und diese Modelle an unsere Zuhörer weitergeben. Ja sogar all unsere Gedanken sind Modelle für reale Situationen und Vorgänge, deren Bausteine wieder Wortmodelle oder Gefühle oder innere Bilder oder Erinnerungen, usw., sind. Solche Sachverhalte unseren Schülern bewusst zu machen, halte ich nicht nur im Sinne einer echten Bildung fürs Leben für unerlässlich, sondern nach dem Lehrplan hat der Physikunterricht sogar das Ziel, das Modelldenken der Physik zu vermitteln. Und durch die Aufdeckung der (gar nicht so überraschenden) Gemeinsamkeiten zwischen unserem Herangehen an die Welt im Alltag und in der Physik gelingt dies weitgehend, weil dadurch das physikalische Vorgehen auf ein uns bereits bekanntes Vorgehen aus dem Alltag zurückgeführt wird. Auf diese Weise wird das Vorgehen der Physik verständlich, denn nicht nur für mich bedeutet Verstehen von etwas Neuem es auf mir schon Bekanntes zurückführen zu können. 19

20 Wie verstehen wir die Welt? - Man is a pattern seeking animal Bei der Untersuchung von Reibungserscheinungen werden wir feststellen, dass wir auch dort zunächst recht verschieden anmutende Phänomene auf ganz wenige Basisbausteine zurückführen können. Mit anderen Worten werden wir mit einem speziellen Reibungsmodell (dem mikroskopischen Reibungsmodell) auskommen, das nur wenige Bausteine enthält, von denen der Teilchencharakter der Materie der wichtigste ist. Das mikroskopische Modell der Reibung möchte ich möglichst anschaulich erläutern, um die Attraktivität für und die Machbarkeit dieses Zuganges zu Reibungsphänomenen im Physikunterricht nachzuweisen. Vielleicht kann ich damit einige Lehrer motivieren, auch beim Thema Reibungskraft im Auge zu behalten, dass alle Körper aus Teilchen bestehen. Denn damit lassen sich die Reibungsphänomene unter einem einheitlichen Gesichtspunkt darstellen, womit das wesentliche Anliegen der Physik erfüllt wird, mit möglichst wenig Grundannahmen möglichst viele verschiedene Phänomene in der Erlebniswelt erklären zu können (bezüglich der genauen Bedeutung von erklären können in der Physik verweise ich auf die Diplomarbeit von Michaela Kohles [2001]). So wie bei den Reibungsphänomenen zeigt sich auch bei vielen anderen physikalischen Phänomenen, dass erst die mikroskopische Sichtweise zum Verständnis führt. Fragt man etwa danach, wie eine Betonwand die Kraft aufbringt, einen Schüler zu halten, der sich dagegen lehnt, so gibt es darauf makroskopisch keine zufrieden stellende Antwort. Dagegen sagt uns ein mikroskopisches Modell, dass es die elastischen Deformationen der (makroskopisch so hart erscheinenden!) Betonwand sind, die diese Kraft erzeugen (und die übrigens mittels Laserinterferenz sogar in einem Schulversuch nachgewiesen werden können die entsprechende Ausrüstung des Physikkabinetts vorausgesetzt; vgl. Iris Abolis [2004]). In der Tribologie bewegt sich die physikalische Forschung im Nano- und Picobereich. Das sind Bereiche, für die wir keine Erfahrungswerte aus unserem täglichen Leben haben. Ich werde zwar in meiner Arbeit mikroskopische Modelle beschreiben, die auch in Dimensionen liegen, welche uns nicht direkt zugänglich sind, jedoch werde ich immer versuchen, mit realen Beispielen an die Lebenswelt der Schüler anzuknüpfen. 20

21 4. Reibungskräfte mikroskopisch betrachtet 4.1. Alle Körper bestehen aus Teilchen - auch aneinander reibende Angesichts des Lehrplanauftrages Alle Körper bestehen aus Teilchen! muss auch die Reibung mikroskopisch gesehen werden. Warum können wir laufen? Warum bleibt der Kuchen in der Backform kleben? Und warum kann die Lotusblume die Wassertropfen auf ihren Blättern einfach abrollen lassen? Alle diese Fragen können nur richtig beantwortet werden, wenn wir unsere gewohnte Strategie zum Verstehen physikalischer Phänomene anwenden. Die Idee, dass möglichst viele verschiedene Beobachtungen in unserer Natur auf möglichst wenig physikalische Grundannahmen zurückgeführt werden können, ist keineswegs neu. Schon die griechischen Denker des fünften und sechsten Jahrhunderts v. Ch. versuchten ihre Welt mit wenigen Grundbausteinen zu erklären. So führte Empedokles von Sizilien alles auf der Welt Existierende auf die vier Elemente zurück: Erde, Luft, Feuer und Wasser. Mit diesen Elementen konnte er damals schon feine physikalische Beobachtungen über Phänomene in seiner Welt machen. Die wichtige Rolle der Reibung in unserem Leben erkennt man an der langen Liste von Forschern, die sich seit sehr langer Zeit über Verbesserungen bei Reibungsverlusten und über Weiterentwicklungen von Reibungsvorteilen den Kopf zerbrochen haben und immer noch zerbrechen Historische Entwicklung Der wissenschaftliche Forschungsbereich, in dem es um Reibungserscheinungen im Allgemeinen geht, heißt Tribologie. Dazu gehört auch das Verständnis der Wirkungsweise von Gleit- und Schmiermitteln, sowie der Verschleißerscheinungen bei den verwendeten Materialien. Der Name Tribologie kommt vom griechischen Wort tribos, was einfach reiben bedeutet und eigentlich schon alles darüber sagt, womit sich die Tribologie beschäftigt. Mit der wissenschaftlichen Tribologieforschung hat man erst um 1950 begonnen, obwohl die Reibung bereits vor 5000 Jahre im Maschinenbau von großer Bedeutung 21

22 war. Schon früher waren den Menschen einige Eigenheiten der Reibung aus Erfahrung bekannt und wurden vorteilhaft genützt. Die ersten praktischen Anwendungen der Reibung reichen bis in die Frühgeschichte zurück. Damals wurden vor allem Steinwerkzeuge einer gewünschten Form durch mühsames und zeitraubendes Schleifen hergestellt. Da aber Schleifen ohne Reibung unmöglich wäre, haben wir hier eine wichtige frühe Anwendung der Reibung vor uns. Und als unsere Vorfahren zum ersten Mal durch das Reiben von Holz und Zunder Feuer entfachten, begann ein neues Kapitel der Menschheitsgeschichte! Eine sehr frühe Verwendung von Gleitmitteln lässt sich bereits im vierten Jahrtausend vor unserer Zeitrechnung nachweisen. In syrischen Dörfern wurden schmiermittelähnliche Substanzen in den Türscharnieren der damaligen Zeit verwendet. Auch die alten Ägypter besaßen bereits eine gewisse Einsicht in die Reibung. Eine ägyptische Grabmalerei zeigt beispielsweise einen Mann, der vor einer riesigen Statue Flüssigkeit ausschüttet, während andere Sklaven diese Statue auf dieser Schmierschicht mit Hilfe von Holzwurzeln weiter ziehen. Die Archäologen sind sich noch nicht darüber einig, ob das damals verwendete Schmiermittel Öl, Wasser oder Milch war, doch dass jede Art von Gleitmittel beim Abb : Alte Ägypter verwendeten Gleitmittel Bau der gigantischen Statuen und Pyramiden wesentliche Hilfen waren, leuchtet ein. Bis ins Mittelalter gab es zur systematischen Nutzung der Vorteile und für die systematische Vermeidung der Nachteile der Reibung keine allgemein gültigen Regeln. Die erste richtige Studie über Reibung, welche uns erhalten ist, stammt von Leonardo da Vinci. Er formulierte als Erster Reibungsgesetze, und er war es auch, der das heutige Standardschulexperiment über Reibung einführte, nämlich einen Block entlang einer schiefen Ebene hinabgleiten zu lassen. Auf einer der erhaltenen Skizzen wird die Reibung eines solchen Blockes mit Hilfe eines Gegengewichtes gemessen, vgl. Abb Er beschäftigte sich auch mit Verschleißerscheinun- Abb : Skizze von Leonardo Da Vincis Reibungsexperiment 22

23 gen, der Wirkung von Schmiermitteln und der Konstruktion von Lagern. Bedeutend war seine Beobachtung, dass die Reibung nicht von der Größe der Kontaktfläche abhängig ist, sondern von der auf den Gleitkörper ausgeübten Normalkraft. Ähnliche Beobachtungen über die Reibung machte auch Amonton. Heute weiß man, dass diese beiden einfachen Reibungsgesetze nur unter ganz bestimmten Gleitbedingungen gültig sind. Trotzdem taten damit sowohl Leonardo als auch Amonton einen entscheidenden Schritt in der Tribologieentwicklung. Leonardo da Vincis Beiträge zur Reibung entstanden vor Newtons Überlegungen zur Mechanik. Erst Newton legte den Grundstein zum Studium der Reibung und insbesondere der Gleitreibung. Auf diesem Fundament arbeitete dann Coulomb am Thema weiter. Er nützte die verfügbaren experimentellen Daten und sammelte seine Beobachtungen über die Reibung in empirischen Gleichungen. Er war es auch, der zum ersten Mal zwischen dem statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten unterschied. Bemerkenswert ist sein Modell von rauen Oberflächen. Er beobachtete, dass die Reibungskraft variiert, je nachdem wie lange der stationäre Kontakt der Grenzflächen vor Beginn der Bewegung ist. Sein Modell der Oberflächen von fasrigen Materialien, wie zum Beispiel Holz ist sehr anschaulich und nützlich. Er erkannte, dass diese Materialien aus lauter kleinen, flexiblen, elastischen Fasern bestehen, wie die Härchen auf einer Bürste. Und wenn solche Flächen in Kontakt kommen, dann braucht es Zeit, bis die Borsten ineinander greifen. Je nach Dauer des Kontaktes durchdringen die verschiedenen Härchen einander mehr oder weniger. Somit nimmt die Haftreibung zu, je länger der stationäre Kontakt stattfindet. Die Einwirkung einer tangentialen Kraft verursacht, dass die Fasern und Borsten miteinander verhaken. Nach Coulomb bestimmt diese Kraft - je nach Größe der Fasern - das Einsetzen des Gleitens. externe Kraft Abb : Modell für das ineinander Verhaken der fasrigen Oberflächen zweier Körper bei Krafteinwirkung 23

24 Coulomb versuchte damit die Adhäsionskraft zwischen zwei verschiedenen Atomen zu erklären. Dieses Bild ist dem modernen Modell über das Aufeinandergleiten von Grenzschichten sehr ähnlich. Er erkannte, dass Reibung von mehreren Faktoren abhängig ist, einmal von der Normalkraft und weiters von der Adhäsionswirkung. Wie wesentlich diese Adhäsionswirkung im mikroskopischen Modell ist, wird sich im Laufe meiner Arbeit noch zeigen. Die Theorie der Reibung in viskosen Medien basiert auf den von Euler, Bernoulli, Navier und Stokes entwickelten Gleichungen für Flüssigkeiten. Diese haben sich Ende des 18. und Anfang des 19. Jahrhunderts mit dem Thema beschäftigt. Damals verwendete Schmiermittel waren vor allem das weit verbreitete Schweinefett und das teurere Sperma-Öl aus den Kopfhohlräumen von Sperma-Walen. Der Bedarf an guten Schmier- und Gleitmitteln in Industrie und Technik treibt vor allem die Tribologie von viskosen Medien voran. Die heute verwendeten Schmiermittel werden aber größtenteils künstlich hergestellt. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts erzielte Nikolai Pavlovich Petrov einen Durchbruch in der Reibungstheorie viskoser Medien. Er entdeckte, dass das Gleiten von zwei Grenzschichten aufeinander mit einfacher Hydrodynamik zu verstehen ist und nicht mit dem bis dahin weit verbreiteten Konzept des Verhakens erkannte ein englischer Biologe namens W. B. Hardy, dass eine extrem dünne Schmierschicht von ungefähr 1nm ausreichen kann, um zwei Glasflächen mit sehr geringer Reibung aneinander vorbeigleiten zu lassen. Er folgerte daraus, dass eine gutes Schmiermittel sowohl eine ausgeprägte Adhäsion zu den Glasflächen besitzen muss als auch eine sehr geringe innere Kohäsion. Diese für einen Schüler doch recht komplizierte Folgerung lässt sich mit einer einfachen Situation aus dem Schüleralltag gut veranschaulichen. Nehmen wir an, wir versuchten eine Holzkiste über einen Holzboden zu ziehen. Dabei entsprechen die beiden hölzernen Kontaktflächen den beiden Glasflächen ohne Schmiermittel, und das Verschieben der Holzkiste ist ein sehr mühseliges Unterfangen. Nun montieren wir an die Unterseite der Kiste eine Anzahl von Möbelrollen. Dabei entsprechen die Möbelrollen dem Gleitmittel und ihre Verschraubung mit dem Boden der Kiste der starken Adhäsion zwischen Gleitmittel und Glasfläche. Andererseits entspricht das leichte Rollen auf dem Boden der kleinen Kohäsion der Moleküle des Schmiermittels untereinander. 24

25 Gegen Mitte des 20. Jahrhunderts verstand man, wie der Reibungskoeffizient von Auflagefläche und Normalkraft abhängt. Entscheidend dafür war die Unterscheidung zwischen scheinbarer und tatsächlicher Kontaktfläche zweier Grenzschichten, die wegen der Oberflächenrauhigkeit sehr verschieden sein können. Diesem Unterschied ist der gesamte Abschnitt gewidmet. Die Proportionalität zwischen Reibungskoeffizient und Schiebegeschwindigkeit ist nicht so einfach zu erklären. Eine Darstellung dieses Problems findet man in Sliding Friction von Bo N. J. Perrson. Eine Zeit lang verlangsamte sich der Fortschritt im grundlegenden Wissen über Gleitreibung. Erst als neue Geräte wie zum Beispiel das so genannte Friction Force Microscope zur Verfügung standen, ging die Forschung weiter. Heute nützt man natürlich auch noch Computer als Hilfsmittel, womit Reibungsprozesse simuliert werden. Diese Simulationen helfen, weitere Schlüsse aus den Reibungsbeobachtungen zu ziehen. Nebenbei können am Computer noch langwierige numerische Rechnungen durchgeführt werden, an denen man früher kläglich scheiterte Ist Reibung von der Größe der Kontaktfläche wirklich unabhängig? Indem die Schulbücher die Schüler zu unkritischen Anwendung der Reibungsformel FR =µ F N auffordern, vermitteln sie ein völlig falsches Bild über die Reibungskraft. Denn die in dieser Formel steckende Behauptung, die Reibungskraft sei unabhängig von der Auflagefläche ist schlicht falsch. Vielmehr spielt die Größe der wahren Kontaktfläche beim Reibungsvorgang eine wichtige Rolle. Dies zeigt ganz klar ein mikroskopisches Herangehen an die Reibungsphänomene, das die in der Überschrift gestellte Frage zwanglos beantworten wird. Jeder von uns spürt den Unterschied, ob er sich auf eine bequeme Couch hinlegt oder ob er sich einfach am harten Fußboden ausstreckt. Warum liegt man lieber auf dem gemütlichen Sofa? 25

26 Abb : Direkte Kontaktfläche zwischen Körper und leicht verformbarer Couch ist größer als zwischen Körper und hartem Boden Besonders im Rückenbereich kann unser Körper durch die Wirbelsäulenwölbung nur an bestimmten Punkten auf einem unelastischen Boden aufliegen. Der Kopf, der Schultergürtel, das Becken mit dem Gesäß sowie die Beine und Arme haben nur kleine Auflageflächen, wo sie direkt den Boden berühren. Und genau diese kleinen Flächen tragen unser gesamtes Körpergewicht. Das weiche, elastische Sofa verformt sich so, dass wir an wesentlich mehr Stellen mit ihm in Berührung sind. Es passt sich unserem Körper so an, dass beinahe unsere ganze Körperrückseite zur Liegefläche wird. In dem Fall ist die Auflagekraft wesentlich besser über uns verteilt und damit spüren wir weichere Druckstellen, die es uns angenehmer machen, auf der Couch zu liegen. Was dieses Beispiel mit der Reibung zu tun hat, ist erst auf dem zweiten Blick ersichtlich. Es geht darum, zwischen scheinbarer Berührfläche und tatsächlicher Berührfläche zu unterscheiden. Nicht nur in diesem kleinen Beispiel wirkt sich dieser Unterschied aus, sondern auch bei unseren Reibungsphänomenen spielt die Anzahl der tatsächlichen Kontaktpunkte zwischen den Grenzflächen eine vordringliche Rolle. Im Sofabeispiel ist der Unterschied zwischen scheinbarer und wahrer Kontaktfläche makroskopisch ersichtlich. Bei den Reibungsbeispielen werden wir mit mikroskopischer Genauigkeit hinschauen müssen, um diese Unterscheidung treffen zu können. Durch die Oberflächenrauhigkeit ist die wahre Kontaktfläche viel kleiner als die scheinbare. Es ist wichtig, diesen Unterschied in die Überlegungen über die Reibungskraft mit einfließen zu lassen. Man kann leicht einsehen, dass bei größerer Normalbelastung die Grenzschichten stärker aneinander gepresst werden. Wenn es dabei zu rein plastischen (das heißt irreversiblen) Verformungen im Grenzmaterial kommt, lässt sich sogar ein linearer 26

27 Zusammenhang zwischen Normallast und wahrer Kontaktfläche erkennen. Das bedeutet, dass die Anzahl der Kontaktpunkte mit steigender Druckkraft von außen linear zunimmt. Kommt es dabei zu elastischen (das heißt reversiblen) Deformationen, so ist der Zusammenhang nicht mehr so einfach zu beschreiben. Jedenfalls nimmt auch hier die Berührfläche bei steigender Belastung grundsätzlich zu. Versucht man nun zwei solche Flächen gegeneinander zu verschieben, so tritt an der vermehrten Anzahl von Kontaktpunkten eine größere Gesamtscherspannung auf, welche die Reibungskraft ansteigen lässt. So erklärt die mikroskopische Sichtweise, warum der Reibungskoeffizient unter bestimmten Umständen keineswegs unabhängig von der auf den Körper einwirkenden Normalkraft ist. Es gibt technische Instrumente, mit denen heute die Oberfläche abgefahren werden kann. Dabei werden deren Hohlräume und Spitzen genau vermessen. Und durch elektrische Widerstandsmessungen kann man genau feststellen, wie der Kontakt bei realer Belastung aussieht. Um die eingangs gestellte Frage Ist Reibung von der Größe der Kontaktfläche wirklich unabhängig? für den Schüler kurz und bündig zu beantworten, halte ich noch einmal genau die Abhängigkeit der Reibung von der Kontaktfläche fest. abhängige Reibungskraft einwirkende Kraft unabhängige Reibungskraft Abb : Ist die Reibung von der Kontaktfläche abhängig? Für den nicht existierenden Idealfall von perfekt harten, perfekt glatten und perfekt parallelen Oberflächen ist die Reibung von der Größe der Kontaktfläche tatsächlich unabhängig. Solche Flächen sind jedoch nicht herstellbar und daher auch nicht in unserem täglichen Leben zu finden. Materialien, mit welchen wir gewöhnlich zu tun haben, weisen diese idealen Eigenschaften nicht auf, insbesondere sind sie nicht absolut hart. Das bedeutet, bei Kontakt mit anderen Grenzschichten passen sie sich in ihrer Form und Gestalt der anderen Oberfläche an, da sie durch ihre Elastizität in 27