Reibung und Fortbewegung

Ausblick

Antriebs- und Fahrwiderstandskräfte beim Auto

Die Haftkraft treibt ein Auto voran
	Der Antrieb auf ein Auto kommt folgendermaßen zustande: Der Motor bewirkt, dass die angetriebenen Räder eine nach hinten gerichtete Kraft auf die Fahrbahn ausüben. Diese Kraft nennen wir Antriebskraft F_A. Dass sie nach hinten wirkt erkennt man, wenn Steinchen auf der Straße liegen; sie werden nach hinten weggeschleudert. Der Antriebskraft entgegen wirkt die Haftkraft F_H. Sie wird von der Fahrbahn auf das Rad und damit das Fahrzeug ausgeübt. Es ist also genaugenommen nicht die Antriebskraft, sondern die Haftkraft, welche das Fahrzeug vorantreibt.
Bei günstigen Straßenverhältnissen, geeigneten Reifen und vernünftiger Fahrweise hat die Haftkraft den gleichen Betrag wie die Antriebskraft. Ungünstige Straßenverhältnisse liegen z.B. vor, wenn die Straße nass oder gar vereist ist; dann ist die maximale Haftkraft klein. Ist die Antriebskraft größer als die maximale Haftkraft, rutschen die Räder durch, sie gleiten also über die Fahrbahn. In diesem Fall treibt nicht mehr die Haftkraft sondern die Gleitreibungskraft das Fahrzeug voran. Die Gleitreibungskraft ist meist kleiner als die maximale Haftkraft. Auch bei günstigen Straßenverhältnissen kann man die Antriebskraft größer machen als die maximale Haftkraft, wenn man zu stark Gas gibt (unvernünftige Fahrweise). Die maximale Haftkraft hängt u.a. von der Beschaffenheit der in Kontakt stehenden Materialien (Oberflächenbelag der Straße und Reifenmaterial) und der Normalkraft F_N ab und beschränkt die Antriebskraft jedes radgetriebenen Kraftfahrzeugs. Die Normalkraft F_N ist die senkrecht zur Straße auf dem Rad lastende Kraft. Meist ist dies ein Teil der Gewichtskraft.

Fahrwiderstandskräfte
Rollwiderstandskräfte Rollwiderstandskräfte treten immer dann auf, wenn eine runde Fläche (z.B. ein Rad oder eine Kugel) auf einer anderen Fläche abrollt. Ihre Ursache liegt in der Verformung der Flächen im Auflagepunkt. Der Rollwiderstand hängt daher vom Material der Räder, vom Reifendruck und der Unterlage ab. Die Rollwiderstandskraft ist umso geringer, je härter Rad und Unterlage sind und je größer der Durchmesser der Räder ist.	Ein platter Reifen hat einen großen Rollwiderstand
Luftwiderstandskraft Die Luftwiderstandskraft F_L hängt von der Form, der Querschnittsfläche und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Dichte der Luft ab. Die Formabhängigkeit der Luftwiderstandskraft misst man im Windkanal. Dazu stellt man ein Fahrzeugmodell bekannter Größe, bei bekannter Luftgeschwindigkeit und bekannter Luftdichte in den Windkanal und bestimmt die dabei auftretende Luftwiderstandskraft. Aus dieser berechnet man den von der Querschnittsfläche und der Luftgeschwindigkeit und Luftdichte unabhängigen Luftwiderstandsbeiwert c_W (kurz: c_W-Wert). Dieser liegt bei einem Pkw zwischen 0,3 und 0,4. Die Luftwiderstandskraft ist zum Luftwiderstandsbeiwert direkt proportional: F_L ~ c_W	Die Abbildung zeigt einen Mercedes der A-Klasse im Windkanal.
Außerdem ist der Luftwiderstandskraft direkt proportional zur Querschnittsfläche A des Fahrzeugs. Sie ergibt sich aus der Projektion des Fahrzeugs auf eine Ebene senkrecht zur Fahrtrichtung; sie liegt beim Pkw bei 1,7m² bis 2,0m². F_L ~ A
Die Luftwiderstandskraft ist auch zur Dichte der Luft r_L direkt proportional: F_L ~ ρ_L Ganz wesentlich wird die Luftwiderstandskraft durch die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs beeinflusst. Sie F_L ist direkt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit v mit der sich das Fahrzeug gegen die Luft bewegt. D.h. bei Verdoppelung der Fahrgeschwindigkeit vervierfacht sich die Luftwiderstandskraft. F_L ~ v²
Hinweis: Neben den genannten Widerstandskräften gibt es noch weitere Reibungskräfte, die im Inneren des Autos auftreten. So lässt sich z.B. die Reibung in den Lagern von Achsen, im Getriebe usw. trotz guter Schmierung nicht ganz vermeiden. Wollte man die notwendige Antriebskraft für ein Auto angeben, so müsste man auch noch wissen, ob es mit konstanter Geschwindigkeit oder beschleunigt fährt und ob die Fahrt in der Ebene oder auf einer geneigten Strecke stattfindet.

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