In der folgenden Simulation siehst du einen Klotz, der auf einer Unterlage ruht. Der Klotz kann z.B. eine Holzkiste auf einem Steinboden oder ein blockierender Autoreifen auf einer Straße sein. Du kannst links oben die Materialien der Oberflächen von Klotz und Unterlage auswählen. Dabei kommt es nicht darauf an, welcher Körper welche Oberfläche besitzt.
Gewichtskraft und Normalkraft
Das schwarze Kreuz in der Mitte des Klotzes markiert den Schwerpunkt des Klotzes. In diesem Schwerpunkt greifen zunächst zwei Kräfte an:
- Die Gewichtskraft \(\vec F_{\rm{G}}\) des Klotzes. Durch die Gewichtskraft wird der Klotz auf die Unterlage gedrückt. Den Betrag \(F_{\rm{G}}\) der Gewichtskraft kannst du mit dem Schieberegler links verändern.
- Die sogenannte Normalkraft \(\vec F_{\rm{N}}\). Die Normalkraft ist die Kraft, mit der die Unterlage "normal" (lateinisch norma „Maß“, im Sinne des rechten Winkels), d.h. senkrecht zur Oberfläche auf den Klotz wirkt. Die Normalkraft entsteht dadurch, dass sich die Unterlage durch die Gewichtskraft des Klotzes leicht nach unten verformt, was nach dem Gesetz von HOOKE eine Kraft nach oben verursacht. Dabei verformt sich die Unterlage gerade so weit, dass die Normalkraft den gleichen Betrag wie die Gewichtskraft hat. Somit kompensieren sich Gewichtskraft und Normalkraft und der Klotz ruht auf der Unterlage.
Zugkraft und Gleitreibungskraft
Wenn du die Animation mit dem Knopf unten startest, so greifen zwei weitere Kräfte an:
- Die Zugkraft \(\vec F_{\rm{Z}}\). Durch sie wird der Klotz in Bewegungsrichtung gezogen.
- Die sogenannte Gleitreibungskraft \(\vec F_{\rm{GR}}\). Sie entsteht dadurch, dass die Oberflächen der Materialien mit dem Mikroskop betrachtet niemals vollkommen glatt, sondern doch etwas rauh sind. Dadurch "verhaken" sich die Teilchen an den beiden Oberflächen miteinander. Dies zeigt sich dann makroskopisch als Kraft, die entgegen der Bewegungsrichtung wirkt. Den Betrag \(F_{\rm{GR}}\) der Gleitreibungskraft kannst du links ablesen.
In der Animation wird die Zugkraft automatisch so eingestellt, dass sie den gleichen Betrag wie die Gleitreibungskraft hat. Dann kompensieren sich Zugkraft und Gleitreibungskraft und der Klotz gleitet mit konstanter Geschwindigkeit über die Unterlage.
Simulation zur Gleitreibung
Beziehungen zwischen den Kräften
In der Animation kannst du erkennen, dass sich der Betrag \(F_{\rm{GR}}\) der Gleitreibungskraft ändert, wenn du den Betrag \(F_{\rm{G}}\) der Gewichtskraft (und damit den Betrag \(F_{\rm{N}}\) der Normalkraft) oder die Materialien der Oberflächen änderst. Wenn du auf die kleine Checkbox links klickst, wird dir die Auswertung und das Ergebnis der Experimente zur Gleitreibung angezeigt, die du unter dem Reiter "Versuche" findest.
Bedingungen für Gleitreibung
Wenn
- ein Körper durch eine Kraft gegen einen anderen Körper gedrückt wird und
- der eine Körper relativ zu dem anderen Körper gleitet
dann wirkt auf diesen Körper eine Kraft, die sogenannte Gleitreibungskraft \(\vec F_{\rm{GR}}\).
Weiter zeigen die Simulation und entsprechende Experimente folgende Sachverhalte:
Eigenschaften der Gleitreibungskraft
Für die Gleitreibungskraft gilt:
-
Die Gleitreibungskraft \(\vec F_{\rm{GR}}\) wirkt immer entgegen der Bewegungsrichtung des Körpers.
-
Der Betrag \(F_{\rm{GR}}\) der Gleitreibungskraft verändert sich in Abhängigkeit vom Betrag \(F_{\rm{N}}\) der Normalkraft und den Materialien der Oberflächen. Der Betrag der Gleitreibungskraft ist aber - was in der Animation nicht dargestellt wird - unabhängig von der Geschwindigkeit und unabhängig von der Größe der Kontaktfläche der beiden Körper.
Definition des Gleitreibungskoeffizienten
Die Auswertung der entsprechender Experimente ergibt:
-
Der Betrag \(F_{\rm{GR}}\) der Gleitreibungskraft ist proportional zum Betrag \(F_{\rm{N}}\) der Normalkraft.
-
Die Proportionalitätskonstante, die man mit dem Buchstaben \({\mu _{{\rm{GR}}}}\) (sprich "mü Gleitreibung") bezeichnet und Gleitreibungskoeffizient oder Gleitreibungszahl nennt, hängt von den Materialien der Oberflächen der beiden Körper ab.
Kurz
\[\color{Red}{F_{\rm{GR}}} = \mu _{\rm{GR}} \cdot \color{Blue}{F_{\rm{N}}} \quad(1)\]
mit dem von den Materialien der Oberflächen abhängigen Gleitreibungskoeffizienten \({\mu _{{\rm{GR}}}}\). Der Gleitreibungskoeffizient hat keine Maßeinheit, man sagt er ist "dimensionslos". Die Gleitreibungskoeffizienten für verschiedene Oberflächenmaterialien findest du z.B. bei Wikipedia.
Hinweise
- In den meisten Aufgaben im Physikunterricht wird der Körper durch seine Gewichtskraft oder z.B. bei einer schiefen Ebene durch die Komponente der Gewichtskraft, die senkrecht zur Unterlage steht, gegen die Unterlage "gedrückt". Im Alltag kann diese Kraft aber viel größer sein, wenn z.B. der Körper in einer Maschine stark auf die Unterlage gepresst wird.
- Wie bereits gesagt ist der Betrag der Gleitreibungskraft unabhängig von der Geschwindigkeit und insbesondere unabhängig von der Größe der Kontaktfläche von Körper und Untergrund. Dies ist für Schülerinnen und Schüler oft erstaunlich, hängt aber mit den mikroskopischen Ursachen für die Gleitreibungskraft zusammen.