Reibung und Fortbewegung

In der folgenden Animation siehst du ein Rad, das auf einer Unterlage ruht. Es könnte sich z.B. um das Rad einer Lokomotive auf den Schienen oder einen Fahrradreifen auf einer Straße handeln. Du kannst links oben die Materialien der Oberflächen von Rad und Unterlage auswählen. Dabei kommt es nicht darauf an, welcher Körper welche Oberfläche besitzt.

Gewichtskraft und Normalkraft

Das schwarze Kreuz in der Mitte des Rades markiert den Schwerpunkt des Rades. In diesem Schwerpunkt greifen zunächst zwei Kräfte an:

• Die Gewichtskraft \(\vec F_{\rm{G}}\) des Rades. Durch die Gewichtskraft wird das Rad gegen 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 das Rad wirkt. Die Normalkraft entsteht dadurch, dass sich die Unterlage durch die Gewichtskraft des Rades 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 das Rad ruht auf der Unterlage.

Zugkraft und Rollreibungskraft

Wenn du die Animation mit dem Knopf unten startest, so greifen zwei weitere Kräfte an:

• Die Zugkraft \(\vec F_{\rm{Z}}\). Durch sie wird das Rad in Bewegungsrichtung gezogen.
• Die sogenannte Rollreibungskraft \(\vec F_{\rm{RR}}\). 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. Auch verformt sich das Rad beim Rollen ganz leicht und bleibt nicht mehr ganz rund. All dies zeigt sich dann makroskopisch als Kraft, die entgegen der Bewegungsrichtung wirkt. Den Betrag \(F_{\rm{RR}}\) der Rollreibungskraft kannst du links ablesen.

In der Animation wird die Zugkraft automatisch so eingestellt, dass sie den gleichen Betrag wie die Rollreibungskraft hat. Dann kompensieren sich Zugkraft und Rollreibungskraft und das Rad rollt mit konstanter Geschwindigkeit über die Unterlage.

Beziehungen zwischen den Kräften

In der Animation kannst du erkennen, dass sich der Betrag \(F_{\rm{RR}}\) der Rollreibungskraft 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 Rollreibung angezeigt, die du unter dem Reiter "Versuche" findest.

Hinweise

• In den meisten Aufgaben im Physikunterricht ist die Normalkraft die Gewichtskraft (oder bei schiefen Ebenen ein Anteil der Gewichtskraft) des Körpers, der über den Untergrund rollt. Im Alltag kann die Normalkraft 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 Rollreibungskraft 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 Rollreibungskraft zusammen.

Mathematische Hilfen

Um Aufgaben zur Rollreibung zu lösen musst du häufig die Gleichung \({F_{\rm{RR}}} = \mu _{\rm{RR}} \cdot {F_{\rm{N}}}\) nach einer Größe, die unbekannt ist, auflösen. Wie du das machen kannst zeigen wir dir in der folgenden Animation.