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Reibungskräfte

Inhaltsverzeichnis zum Thema Reibungskräfte
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Philip Rupp
Reibungskräfte
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Grundlagen zum Thema Reibungskräfte

Reibungskraft

Mit Sicherheit hast du schon einmal den Begriff Reibung verwendet. Zum Beispiel dann, wenn die Reibung auf einer Rutsche zu groß ist und du nicht vorankommst. Oder dann, wenn die Reibung beim Schlittenfahren besonders klein ist und du sehr schnell wirst. Hinter diesen Zusammenhängen steckt die sogenannte Reibungskraft. Doch was genau ist die Reibungskraft?

Reibungskraft – Definition

Als Reibungskraft bezeichnet man in der Physik die Kraft, die zwischen den Oberflächen von zwei sich berührenden Körpern wirkt. Sie hemmt eine Bewegung der Körper zueinander: Wenn also Kraft für eine solche Bewegung aufgebracht wird, wirkt die Reibungskraft dieser Kraft entgegen. Die Reibungskraft wird mit dem Formelzeichen $\vec{F}_R$ bezeichnet. Wie jede Kraft hat die Reibungskraft die Einheit Newton $(\text{N})$.

Doch wieso gibt es diese Reibungskraft überhaupt? Dafür müssen wir uns die Oberflächen der sich berührenden Körper genauer ansehen. Auch auf Oberflächen, die mit dem bloßen Auge glatt erscheinen, sieht man bei starker Vergrößerung viele Unebenheiten: Sie sind rau. Die Unebenheiten der beiden Oberflächen verhaken sich ineinander und erschweren die Bewegung der Körper gegeneinander.

Reibungskraft Beispiel zur Definition

Haftreibung und Gleitreibung

Im Folgenden können wir uns ein Paket vorstellen, das über den Boden gezogen werden soll. Während dieses Vorgangs wirken unterschiedliche Arten der Reibungskraft:

  • Haftreibung: Die Haftreibungskraft wirkt dann, wenn der Körper, also das Paket, aus dem Ruhezustand in Bewegung versetzt werden soll. Die Kraft, mit der wir am Paket ziehen, muss die Haftreibung überwinden. Erst dann wird das Paket in Bewegung gesetzt.
  • Gleitreibung: Wenn das Paket erst einmal in Bewegung ist, wirkt noch immer eine Reibungskraft, die die Bewegung erschwert. Das ist die Gleitreibungskraft. Diese ist aber kleiner als die Haftreibungskraft.

Darüber hinaus gibt es noch weitere Arten von Reibung. Dazu gehört die Rollreibung, die dann wirkt, wenn beispielsweise ein Rad über eine Oberfläche rollt. Zusammenfassend kann man die Haftreibung, die Gleitreibung und die Rollreibung als coulombsche Reibung bezeichnen.

Reibungskraft – Formel

Um den Betrag der Reibungskraft zu berechnen, müssen wir die Normalkraft kennen, die auf den Körper wirkt, den wir bewegen wollen. Die Normalkraft $F_N$ ist der Anteil der Gewichtskraft, der senkrecht zur Oberfläche wirkt, auf der der Körper steht. Ist die Oberfläche gerade, also horizontal, entspricht die Normalkraft der Gewichtskraft:

$F_N=m\cdot g$

Dabei ist $m$ die Masse des Körpers und $g$ der sogenannte Ortsfaktor.

Außerdem müssen wir zur Berechnung der Reibungskraft den Reibungskoeffizienten $\mu$ kennen. Diesen Wert kann man für einige Materialpaare in Büchern oder Datenbanken finden – schließlich hängt die Reibungskraft nicht nur vom Körper ab, den wir bewegen möchten, sondern auch von der Oberfläche, auf der wir ihn bewegen wollen.

Wenn wir die Normalkraft und den Reibungskoeffizienten kennen, können wir die Reibungskraft $F_R$ berechnen:

$F_R=\mu \cdot F_N$

Und falls die Normalkraft der Gewichtskraft entspricht, folgt daraus:

$F_R=\mu \cdot m \cdot g$

Diese Formeln gelten übrigens sowohl für die Haftreibung als auch für die Gleitreibung. Für diese Fälle gibt es dann unterschiedliche Reibungskoeffizienten, die meist über die Bezeichnungen $\mu_H$ (mit Index $H$ für Haftreibung) und $\mu_G$ (mit Index $G$ für Gleitreibung) unterschieden werden. Da die Haftreibungskraft größer ist als die Gleitreibungskraft, ist $\mu_H$ größer als $\mu_G$. Einige Beispielwerte für die Koeffizienten sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Material-Paar $\mu_H$ $\mu_G$
Stahl–Stahl 0,2 0,1
Stahl–Eis 0,03 0,01
Gummi–Asphalt 0,9 0,8

Die Reibungskoeffizienten für Stahl auf Eis sind also deutlich niedriger als für Gummi auf Asphalt. Da wären wir wieder bei dem Beispiel mit dem Schlitten: Es muss wenig Kraft aufgebracht werden, um die Reibungskraft zu überwinden. Bei einem Auto auf der Straße sieht das schon wieder anders aus. Zum Glück, denn die Reibung bewirkt ja auch, dass das Auto sicher auf der Straße fährt.

Dieses Video

In diesem Video lernst du viel über die Reibungskraft. Neben Video und Text findest du natürlich auch zu diesem Thema interaktive Aufgaben und ein Arbeitsblatt.

Transkript Reibungskräfte

Willkommen bei meinem neuen Video zum Thema der Reibungskräfte. Reibung tritt in der Physik fast bei allen mechanischen Prozessen auf. Meist verkompliziert sie das Ausgangsproblem und wird daher oft vernachlässigt. Wir wollen hier aber einmal einen etwas genaueren Blick auf die Reibung und das ganze Drumherum nehmen. Wir beginnen mit einer kleinen Einführung und eine Art Definition von Reibung. Als zweiten Punkt erzähle ich euch dann, wie man das Phänomen der Reibung erklären und beschreiben kann. Zum Schluss wollen wir uns dann noch ein paar wichtige Formeln und Beispiele zu diesem Thema ansehen. Dabei wird uns dann auch der Reibungskoeffizient begegnen. Als Grundlage zu diesem Video solltet ihr euch schon mit Kräften im Allgemeinen auseinandergesetzt haben und die Grundbegriffe kennen. Ihr solltet vor allem auch wissen, was mit der Normalkraft und der Gewichtskraft gemeint ist. Doch beginnen wir mit unserem eigentlichen Thema. Reibung ist die Hemmung einer Bewegung durch die Berührung zweier Körper. In dieser Beschreibung sind drei Worte besonders wichtig. Zuerst einmal die Bewegung. Reibung hat prinzipiell etwas mit Bewegung zu tun. Befindet sich ein Körper in völliger Ruhe und ist kräftefrei, so wirkt keine Reibung auf ihn. Erst wenn wir versuchen, ihn zu bewegen, merken wie die Reibungskraft. Weiter handelt es sich um eine hemmende Kraft, sie wirkt also genau in die entgegengesetzte Richtung bezogen auf die Bewegung. Schieben wir unser Objekt nach links, so wirkt sie nach rechts, als ob jemand von der anderen Seite dagegen drückt. Sie wirkt also der ausgeübten Kraft entgegen und verlangsamt so zum Beispiel die Bewegung. Das dritte wichtige Wort unserer kleinen Definition ist die Berührung. Die Reibungskraft scheint also etwas mit dem Berühren der Oberflächen zu tun zu haben, und das betrachten wir im nächsten Kapitel, in dem wir uns überlegen wollen, wie Reibung entsteht. Wir überlegen uns als Beispiel einen Karton, der auf einem Tisch steht. Wie schon angedeutet, entsteht die Reibungskraft an den sich berührenden Oberflächen dieser beiden Objekte. Denn auch wenn sich der Karton und der Tisch glatt anfühlen, so täuscht der Eindruck. Würde man sich die Oberfläche der Körper unter dem Mikroskop ansehen, so würde einem auffallen, dass sie ganz und gar nicht glatt ist. Die Oberfläche der meisten Objekte gleicht eher einer wilden Hügellandschaft. Diese Hügel und Täler sind aber so klein, dass das menschliche Auge sie meist nicht sieht und die Oberfläche glatt erscheint. Das gilt sowohl für den Karton als auch für den Tisch. Schieben wir nun also den Karton über den Tisch, so stoßen die Hügel der beiden ständig aneinander und bremsen die Bewegung ab. Wir beschreiben dies durch eine Reibungskraft, die in die entgegengesetzte Richtung wirkt und unsere Bewegung hemmt. Man unterscheidet mithilfe dieses Erklärungsansatzes zwischen verschiedenen Arten von Reibung. In diesem Video will ich euch die Gleitreibung und die Haftreibung erklären. Hierzu nehmen wir nochmal unseren Karton auf dem Tisch zur Hilfe. Außerdem brauchen wir noch einen Federkraftmesser, mit dem wir die Reibungskraft auf den Karton bestimmen wollen. Die Haftreibung wirkt auf einen ruhenden Körper. Wir müssen eine recht große Kraft aufbringen, bevor sich der Karton anfängt zu bewegen. Am Federkraftmesser lässt sich die Kraft ablesen, bei der der Karton gerade noch stehen bleibt. Diese entspricht nun genau der Haftreibungskraft. Bei jeder geringeren Krafteinwirkung bleibt der Karton unbewegt. Ziehen wir nun etwas mehr an den Karton, so fängt er an, sich über den Tisch zu bewegen. Auf den Körper wirkt nun nicht mehr die Haftreibungskraft, sondern die Gleitreibungskraft. Diese ist im Allgemeinen um einiges geringer als die wirkende Kraft der Haftreibung. Haben wir den Karton erst einmal angeschoben und die Haftreibung überwunden, so können wir ihn recht einfach umherschieben. Natürlich lässt sich die Reibungskraft auf einen Körper auch berechnen. Die hierfür nötige Formel ist recht einfach und kompakt. Sie lautet FR = u * FN. Betrachten wir alle Teile einzeln. FR ist natürlich der Betrag der Reibungskraft, den wir ausrechnen wollen. FN beschreibt den Betrag der Normalkraft, also die Kraft, die rechtwinklig zur Oberfläche steht. Was dieser Wert aussagt und wie man ihn über ein Kräfteparallelogramm bestimmt, solltet ihr ja bereits wissen. Das neue Formelzeichen ist nun der Reibungskoeffizient u. Er wird auch manchmal Reibungszahl genannt und beschreibt, wie stark die Reibung zwischen zwei Oberflächen ist. Vereinfacht kann man sich vorstellen, dass er aussagt, wie rau und hügelig die sich berührenden Oberflächen sind. Er hat keine physikalische Einheit, sondern ist eine einfache Zahl. Wenn der Reibungskoeffizient hoch ist, so ist die Reibung sehr hoch und es fällt einem schwer, ein Objekt über eine Oberfläche zu schieben. Die Reibungszahl hängt dabei hauptsächlich von den Materialien der beiden reibenden Körper ab. Einen besonderen Fall haben wir, wenn es sich um eine horizontale Fläche handelt, über die ein Körper geschoben wird, denn dann ist die Normalkraft gleich der Gewichtskraft FGR = u * m * g. Diese Formel kann für die meisten einfachen Reibungsprobleme benutzt werden. Zu diesen Formeln gibt es zwei wichtige Beobachtungen: zum einen den sehr vorteilhaften Umstand, dass sie sowohl für die Haft- als auch für die Gleitreibung gelten. Der einzige Unterschied ist, dass wir für beide Reibungsarten unterschiedliche Werte für den Reibungskoeffizienten u einsetzen müssen. Meistens bezeichnet man die Haftreibungszahl deshalb mit einem Index groß H und die Gleitreibungszahl entsprechend mit U groß G. Wie schon erwähnt, ist der Reibungskoeffizient der Haftreibung allgemein größer als der der Gleitreibung. Als zweites fällt euch vielleicht auf, dass in der Formel weder der Flächeninhalt der Auflagefläche noch die Geschwindigkeit des Körpers vorkommt. Dies widerspricht meist der Intuition und sollte deswegen besonders hervorgehoben werden. Die Reibungskräfte hängen beide lediglich von den Materialien und der Normalkraft ab. Die reibenden Materialien bestimmen nämlich den Reibungskoeffizienten. Betrachten wir nun ein paar Beispiele, um ein Gefühl für die Größen zu erhalten. Will man eine Kiste aus Stahl über eine horizontale Fläche schieben, die ebenfalls aus Stahl ist, so muss man zuerst die Haftreibung überwinden. Der entsprechende Haftreibungskoeffizient ist ungefähr 0,2. Wiegt die Kiste zwei Kilogramm, so können wir die auftretende Haftreibungskraft leicht berechnen. Die Erdbeschleunigung beträgt bekanntermaßen 9,81 m/s². Wir erhalten so eine Haftreibungskraft von ungefähr FR = 4 N. Möchte man die Kiste im Anschluss weiter schieben, so ist sie in Bewegung und es wirkt die Gleitreibungskraft anstelle der Haftreibungskraft. Der entsprechende Gleitreibungskoeffizienten UG beträgt circa 0,1, ist also nur halb so groß wie der bei der Haftreibung. Die wirkende Gleitreibungskraft ist dementsprechend ebenfalls halb so groß, anders gesagt 2 N. Es gibt hierbei natürlich undenkbar viele Kombinationsmöglichkeiten von sich reibenden Materialien und entsprechenden Reibungszahlen. Einige davon habe ich hier einmal aufgelistet. Damit möchte ich mich verabschieden und wünsche euch noch viel Spaß beim weiteren Entdecken der mysteriösen Reibung, euer Philip Physik.

25 Kommentare
25 Kommentare
  1. echt gut gemacht, hab viel davon für mein Referat über dieses Thema genommen! Danke!

    Von Michelle, vor etwa einem Monat
  2. der karton steht nicht auf dem tisch er schwebt über dem tisch

    Von Colin, vor 3 Monaten
  3. das video war gut

    Von Jonas, vor etwa einem Jahr
  4. moin

    Von Jonas, vor etwa einem Jahr
  5. video war gut aber übung mittelmäßig, skizze von aufgabe war im video nicht erklärt und die massse vom fahrrad in der letzten aufgabe stand nicht da🤨😏

    Von Jonah, vor etwa einem Jahr
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Reibungskräfte Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Reibungskräfte kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Einflussgrößen.

    Tipps

    Unterscheide die Arten der Reibung.

    Je schwerer ein Objekt, desto größer seine Reibung.

    Lösung

    Der Betrag der Reibungskraft hängt im Wesentlichen von zwei Größen ab: der Normalkraft $F_N$ und den Reibungskoeffizienten $u_H$ und $u_G$.

    Die Koeffizienten $u_H / u_G$ charakterisieren dabei die Eigenschaften der reibenden Oberflächen. Haften sie stark aneinander, liegt ein hoher Wert für $u$ vor. Haften sie kaum, so wird der Wert gering.

    Generell unterscheidet man die Koeffizienten nach Gleitreibung (hier wirkt $u_G$) und Haftreibung mit $u_H.

    Die Normalkraft ist die Kraft, die senkrecht auf der reibenden Oberfläche steht. Für den Fall, dass diese waagerecht ist, entspricht die Normalkraft $F_N$ der Gewichtskraft $F_G$.

    Alternativ zum $u$ wird auch häufig das $\mu$ verwendet.

  • Gib an, wo die Reibungskraft wirkt, wenn wir die Kiste nach rechts verschieben möchten.

    Tipps

    Reibung hemmt eine Bewegung.

    Die Reibung ist auch abhängig von der Normalkraft.

    Lösung

    Die Reibungskraft ist eine Kraft, die einer aufgewandten Kraft entgegenwirkt.

    Man definiert Reibung als die Hemmung einer Bewegung durch die Berührung zweier Körper.

    Dabei muss eine Berührung vorliegen, an der zwei Flächen aneinander reiben. Dabei wird die Reibung umso größer, je rauer die Flächen sind. Generell sind auch Flächen, die wir mit dem Auge als glatt erkennen, unter dem Mikroskop rau, sodass auch auf glatten Flächen Reibung entsteht.

    Die Stärke der Reibungskraft hängt außerdem von der Normalkraft $F_N$ auf die beschriebene Fläche ab. Je größer die Kraft $F_N$, desto stärker werden die Flächen aneinandergepresst und die Reibungswirkung steigt.

  • Zeige den Verlauf der Reibung.

    Tipps

    Haftreibung liegt vor, solange ein Gegenstand in Ruhe ist.

    Gleitreibung ist mit einer Geschwindigkeit verbunden.

    Lösung

    Wirkt eine Kraft auf einen Gegenstand, der sich in Ruhe befindet, so können wir mit dem Verlauf der Kraft $F$ über der Auslenkung $x$ eine Aussage über die Reibungskräfte treffen.

    Solange eine Kraft aufgewandt wird, aber der Ort konstant bleibt, so liegt Haftreibung vor, bis der Zustand der maximalen Haftung oder die Grenzhaftung erreicht ist.

    Wird diese überschritten, so bewegt sich der Gegenstand; dieser gleitet nun. Dabei wirkt hier die Gleitreibung $F_G$ linear über der Auslenkung $x$.

  • Bestimme die Haftreibungskräfte.

    Tipps

    Zur Berechnung der Haftreibung muss der entsprechende Koeffizient benutzt werden.

    Im horizontalen Fall ist $F_N = F_G$.

    Rechne mit der Masse in kg.

    Lösung

    Um den Betrag einer wirkenden Reibungskraft zu berechnen, behelfen wir und der Formel $F_R = u_H \cdot F_N $.

    Darin ist $u_H$ der Reibungskoeffizient für die Haftreibung, welcher die Reibungswirkung zwischen zwei ruhenden Materialien quantitativ darstellt.

    Solange die reibende Fläche horizontal ist, ist die Normalkraft $F_N$ gleich der Gewichtskraft $F_G$ Somit können wir rechnen $F_R = u \cdot F_G$. Wichtig ist wie so oft, die Einheiten zu beachten ! Wähle die Masse in $kg$, sonst führen deine Rechnungen zu falschen Ergebnissen.

  • Gib die unterschiedlichen Arten der Reibung an.

    Tipps

    Die Haftreibungskraft ist meistens größer als die Gleitreibungskraft.

    Man unterscheidet die Haft- und Gleitreibung anhand unterschiedlicher Reibungskoeffizienten $u_H$ und $U_G$

    Lösung

    Die Reibung kann in unterschiedlichen Formen auftreten.

    Ist ein Körper in Ruhe, so wirkt die Haftreibungskraft auf diesen. Dadurch bleibt etwa das Auto am Hang stehen oder eine Kiste auf dem Tisch. (Läuft man einen Berg hoch, so ist der Schuh ja auch immer kurze Zeit in Ruhe, wenn man auftritt.)

    Ist ein Körper in Bewegung, so wirkt die Gleitreibung. Diese ist in der Regel geringer als die Haftreibung.

    Man unterscheidet die Beträge der wirkenden Reibungskräfte anhand der Reibungskoeffizienten $u_G$ und $u_H$.

  • Berechne die Reibungskräfte.

    Tipps

    Beachte die Einheiten.

    Unterscheide, ob Gleit- oder Haftreibung vorlegt.

    Im horizontalen Fall ist die Normalkraft gleich der Gewichtskraft.

    Lösung

    Um den Betrag einer wirkenden Reibungskraft zu berechnen, behelfen wir uns mit der gezeigten Formel.

    Darin ist $u$ der Reibungskoeffizient, welcher die Reibungswirkung zwischen zwei Materialien quantitativ darstellt.

    Dabei müssen wir zwischen der Gleitreibung und dem dazugehörigen Koeffizienten $u_G$ und der Haftreibung mit Koeffizienten $u_H$ unterscheiden.

    Solange die reibende Fläche horizontal ist, ist die Normalkraft $F_N$ gleich der Gewichtskraft $F_G$

    Somit können wir rechnen $F_R = u \cdot F_G$.

    Wichtig ist wie so oft, die Einheiten zu beachten! Wähle die Masse in $kg$, sonst führen deine Rechnungen zu falschen Ergebnissen.