Reibung und Fortbewegung

Mechanik

Reibung und Fortbewegung

  • Warum muss man bein Fahrradfahren eigentlich immer treten?
  • Sollte man die Reibung nicht einfach abschaffen?
  • Was würden wir ohne die Erfindung des Rads machen?

Der Fernsehsender SWR hat zum Thema Reibung ein schönes Applet erstellt, mit dem man das Rutschverhalten verschiedener Materialien in einem simulierten Experiment herausfinden kann.

  • Dazu wählt man zunächst mit Hilfe der Buttons den rutschenden Gegenstand, bzw. das Material dieses Gegenstands aus.
    z.B. Gummi, Schlittschuh, Gecko, Bagger, Teflon
  • Außerdem kann die Oberfläche auf welcher der Gegenstand rutscht auswählen.
    Holz, Eis, Teflon, Stahl, Asphalt, Gummi

Dann drückt man auf den grünen Knopf oben in der Mitte um das Experiment zu starten, dabei kann man zwischen zwei Optionen durch anklicken der entsprechenden Kästchen wählen

A: Neigung schrittweise erhöhen
B: Neigung voreinstellen

Bei diesen Versuchen werden die Materialien der Berührflächen, die Größe der Berührflächen und die Masse des Körpers gezielt variiert.

Aufbau und Durchführung

Ein fester Körper mit ebener Fläche wird auf eine ebenfalls ebene geneigte Fläche gestellt. Es wird der Winkel bzw. die Steigung h : b untersucht unter dem

a) erstmals zu rutschen beginnt. Daraus kann man die Haftreibungszahl ermitteln.

b) seine Geschwindigkeit nach dem Anschubsen nicht oder nur unwesentlich ändert. Daraus kann man die Gleitreibungszahl ermitteln.

Im folgenden wurden drei reale Versuche nachempfunden und können mittels der Animation ausgewertet werden. Durch Darüberfahren mit der Maus fahren die Versuche ab. Bestimme aus den Animationen den Haft- und den Gleitreibungskoeffizienten von Eisen auf Holz und von Holz auf Holz.

Eisen auf glattem Holzbrett

Eisen auf glattem Holzbrett

glattes Holz auf glattem Holzbrett

 

Einführung

Zur Messung der maximalen Haftkraft FH ruht der Körper auf einer sauberen, trockenen und glatten Unterlage (z.B. kunststoffbeschichteter Experimentiertisch oder großer Bogen Tonpapier)   Zur Messung der Gleitreibungskraft FR wird der Körper mit konstanter Geschwindigkeit über die Unterlage gezogen.

Bestimme in der Animation die maximale Haftkraft FH und die Gleitreibungskraft FR. Erläutere, wie die anfängliche "unregelmäßige" Bewegung zustande kommt.

Erläutere, warum man den Klotz zur Bestimmung der Gleitreibungskraft mit konstanter Geschwindigkeit ziehen muss.

Quantitative Versuche zur Gewinnung von Näherungsgesetzen über die Reibung

Für die Messungen stehen zwei Holzquader mit den Maßen 12cm x 6,0cm x 6,0cm
(Eigengewicht 3,0 N) und 12cm x 6,0cm x 3,0cm (Eigengewicht 1,5 N) zur Verfügung. Bei jedem Quader ist eine Seitenfläche kunststoffbeschichtet.

1. Versuch

  • Der kleine Klotz wird auf die Kunststofffläche bzw. Holzfläche gelegt und dann die maximale Haftkraft und die Gleitreibungskraft bestimmt.
  • Anschließend wird der kleine Klotz auf die schmale Holzfläche gelegt und wieder die maximale Haftkraft und die Gleitreibungskraft bestimmt.
  • Schließlich wird der große Klotz auf die Kunststofffläche bzw. Holzfläche gelegt und dann die maximale Haftkraft und die Gleitreibungskraft bestimmt.
FG in N
Material
A in cm2
FH in N
FR in N
1,5
Kunststoff
12 x 6
0,8
0,6
1,5
Holz
12 x 6
0,3
0,3
1,5
Holz
12 x 3
0,3
0,3
3,0
Kunststoff
12 x 6
1,6
1,1
3,0
Holz
12 x 6
0,5
0,5

Betrachte die Versuchsergebnisse und formuliere die Schlüsse, die du aus den Daten ziehen kannst in Worten (qualitative Auswertung!).

2. Versuch

Der große Klotz wird einmal mit einer "Holzfläche" (12cm x 6cm) und einmal mit einer "Kunststofffläche" (12cm x 6cm) über den Experimentiertisch gezogen. Die Gewichtskraft wird durch das Auflegen von Zusatzkörpern variiert.

 
Kunststofffläche
Holzfläche
FG in N
FH in N
FR in N
FH in N
FR in N
3,0
1,6
1,1
0,5
0,4
4,0
2,2
2,0
0,8
0,6
5,0
3,1
2,8
0,9
0,8
8,0
5,0
4,6
1,9
1,3
13
8,3
8,0
3,0
2,0

Stelle die Ergebnisse in einem Diagramm graphisch dar (RWA: Gewichtskraft; HWA: maximale Haftkraft bzw. Gleitreibungskraft).

Welche Gesetzmäßigkeiten und welche zusätzlichen Erkenntnisse lassen sich aus den Daten bzw. Graphen ermitteln?

Bestimme die Haftzahl μH und die Gleitreibungszahl μR.

3. Versuch
  • In diesem Versuch soll die Rollwiderstandskraft FRoll mit der Gleitreibungskraft FR verglichen werden. Um die jeweils gleiche Materialkombination (Kunststoff auf Eisen) zu erreichen wird wie skizziert vorgegangen.
  • Auch bei der Bestimmung der Rollwiderstandskraft ist es wichtig, dass mit konstanter Geschwindigkeit gezogen wird.
FG in N
FR in N
FRoll in N
3,0
3,0
0,1
4,0
4,3
0,2
5,0
5,2
0,2
8,0
9,0
0,3
11
 
0,4
13
 
0,5
18
 
0,6
23
 
0,7

Stelle die Ergebnisse in einem Diagramm graphisch dar (RWA: Gewichtskraft; HWA: Rollwiderstandskraft bzw. Gleitreibungskraft).

Welche Gesetzmäßigkeiten und welche zusätzlichen Erkenntnisse lassen sich aus den Daten bzw. Graphen ermitteln?

Bestimme die Rollwiderstandszahl μRoll und die Gleitreibungszahl μR für diese Materialkombination.

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

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