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Bewegung - Referat
Reibung:
(auch Friktion) ist die Gesamtheit der Kräfte an der Grenzfläche zweier Körper, die ihre gegenseitige Bewegung hemmen oder verhindern. Der Begriff der Reibung verliert auf der Elementarteilchenebene seinen Sinn.
Reibung ist ein Fachgebiet der Tribologie und mathematisch mit dem Reibungskoeffizienten beschrieben.
Reibung zwischen Festkörpern:
Das Gleiten eines Festkörpers entlang einem anderen kann einerseits durch molekulare Anziehungskräfte (Adhäsion) der Kontaktflächen oder ihre mechanische Verklammerung (ähnlich dem Feilen) behindert werden.
Formen der Reibung:
Bei der Reibung zwischen Festkörperoberflächen unterscheidet man je nach Geometrie zwischen Rollreibung, Wälzreibung und Bohrreibung, in denen sich die Haft- und Gleitreibungsphänomene überlagern.
Coulomb'sche Reibung:
Wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen Körper 1 und Körper 2 am Kontaktpunkt ungleich Null ist, reiben die Körper an diesem Kontaktpunkt.
Für die auf Körper 1 wirkende Reibkraft gilt nach Coulomb wobei die Normalkraft (senkrecht zur Berührebene am Kontaktpunkt) ist und μR als Reibbeiwert oder Reibungskoeffizient bezeichnet wird.
Für die auf Körper 2 wirkende Reibkraft gilt entsprechend
Die Modellierung der Reibung nach diesem Gesetz ist eine grobe Näherung, wird aber bei technischen Problemen häufig verwendet.
Während das Gesetz in der angegebenen Form nur auf Ebenen zutrifft, lässt es sich auf runde Körper verallgemeinern und führt dann zur Euler-Eytelwein-Formel.
Amontonssche Gesetze:
Weiterhin gelten für die Reibung zwischen Festkörpern die zwei Amontonsschen Gesetze (benannt nach Guillaume Amontons, obwohl auch schon Leonardo da Vinci bekannt):
Die Reibungskraft ist von der Ausdehnung der Reibfläche unabhängig.
Die Reibungskraft ist der Normalkraft zwischen den Reibflächen (Presskraft) direkt proportional.
(Im Versuch zeigt es sich, dass das erste Amontonssche Gesetz für die Gleitreibung nur bedingt gilt. Dies, weil bei (ungeschmierten) Festkörpern die aufzuwendende Reibungskraft sehr stark von der Oberflächenbeschaffenheit der beiden beteiligten Körper abhängt. Beide Oberflächen weisen (mikroskopisch gesehen) Gräte, Täler, Spitzen und Senken auf. Diese verhängen sich ineinander und behindern die Gleitbewegung. Wird die Fläche des gleitenden Körpers jedoch verkleinert, (bei gleich bleibender Normalkraft, d.h. bei vergrößerter Flächenpressung), so nimmt die Anzahl der verbleibenden Erhöhungen und Vertiefungen proportional zur Flächenreduktion ab. Der Kraftaufwand, um das Verhängen der Oberflächenunebenheiten zu überwinden, nimmt aber nicht proportional mit der Flächenpressung zu. Man kann dies auch an einem einfachen Versuch zeigen: Ein Eisen-Quader - mit 3 nach oben gerichteten Nadeln - wird einerseits auf eine Tischplatte aus Holz gelegt und mit Hilfe einer Federwaage über die Tischplatte gezogen. Andererseits wird der Metallquader umgedreht und auf die 3 Nadelspitzen gestellt. Nun wird die Reibungskraft erneut mit der Federwaage gemessen. Die beiden Reibkräfte sind nicht gleich.)...
Rollreibung:
Rollreibung oder Rollwiderstand entsteht beim Rollen (Abwälzen) eines Körpers auf einer Unterlage (Wälzbahn). Wenn die Haftreibung zwischen Körper und Unterlage größer ist als die Summe der übrigen im Auflagepunkt auf den Körper wirkenden tangentialen Kräfte, dann rollt der Körper ohne Schlupf, und es wirkt auf ihn reine Rollreibung; bei Gleitschlupf kommen Gleitreibungsanteile dazu.
In ihrer idealisierter Form ist rollende Bewegung reibungs- und damit verlustfrei. Die Reibungsverluste beim Rollen entstehen durch die Deformation der nicht ideal starren Körper (Energieverlust durch Dissipation im Material). Wichtige Anwendung: Wälzlager
Der Rollwiderstandskoeffizient NRo ist bestimmt durch den Radius R des Rollkörpers und den Versatz d der Normalkraft aufgrund der Abplattung am Berührpunkt. Die Widerstandskoeffizienten beim Rollen sind typischerweise um Zehnerpotenzen kleiner als bei der Gleitreibung.
Bohrreibung:
Bohrreibung entsteht am Auflagerpunkt einer sich um die vertikale Achse drehenden Kugel auf einer horizontalen Ebene. Sie ist - wenn die Drehgeschwindigkeit der Kugel konstant bleibt - ein Gleichgewichtszustand zwischen Reibungswiderstand und Drehmoment T. Auch dieser Fall wäre idealerweise reibungsfrei, es träten keine Reibungskräfte auf. In realen Situationen ist aber die Auflage nicht punktförmig, und es entstehen Reibungsmomente.
NBo ist der Koeffizient der Bohrreibung. Er ist als Radius der scheinbaren Auflagescheibe deutbar, also als der resultierende Hebelarm der Flächenmomente: In Rechnungen ist zu beachten, dass eine Multiplikation einer Kraft mit dem Bohrreibungskoeffizienten ein Moment („Kraft mal Kaftarm“) ergibt.
Reibung in der Schmierungstechnik
Festkörperreibung:
Bei der Festkörperreibung berühren sich die aufeinander gleitenden Flächen. Dabei werden Oberflächenerhöhungen eingeebnet (Abrieb oder Verschleiß). Bei ungünstiger Werkstoffpaarung und großer Flächenpressung verschweißen die Oberflächen miteinander (Adhäsion). Festkörperreibung tritt beispielsweise auf, wenn kein Schmierstoff verwendet wird oder die Schmierung versagt. Diese Reibung kann auch durch Linearkugellager deutlich verringert werden.
Mischreibung:
Die Mischreibung kann bei unzureichender Schmierung oder zu Beginn der Bewegung zweier Reibpartner mit Schmierung auftreten. Dabei berühren sich die Gleitflächen punktuell. Die Reibungskraft ist geringer als sowohl bei Festkörper- als auch Flüssigkeitsreibung. Der Verschleiß ist jedoch höher als bei reiner Flüssigkeitsreibung. Dieser Zustand ist daher im Dauerbetrieb stets unerwünscht, ist aber manchmal unvermeidlich oder seine Vermeidung ist so aufwändig, dass die Kosten für Verschleißreparaturen in Kauf genommen werden.
Flüssigkeitsreibung:
Die Flüssigkeitsreibung tritt dann auf, wenn sich zwischen den Gleitflächen ein permanenter Schmierfilm bildet. Typische Schmierstoffe sind Öle, Wasser aber auch Gase (siehe Luftlager). Die Gleitflächen sind vollständig voneinander getrennt. Die entstehende Reibung beruht darauf, dass die Schmierstoffmoleküle aufeinander gleiten. Damit diese Scherkräfte nur zu einer tragbaren Temperaturerhöhung des Schmierstoffes führen, muss die entstehende Wärme auf geeignete Weise abgeführt werden.
Flüssigkeitsreibung ist der gewünschte Zustand in Lagern und Führungen, wenn Dauerhaltbarkeit, hohe Gleitgeschwindigkeit und hohe Belastung benötigt werden. Ein wichtiges Beispiel ist die Drucköl-Schmierung der Lagerschalen zwischen Kurbelwelle und Pleuelstange im Automotor (Hydrodynamisches Gleitlager).
Der Übergang von der Mischreibung zur Flüssigkeitsreibung wird durch die Stribeck-Kurve dargestellt. Die Flüssigkeitsreibung ist bei laminarer Strömung proportional zur Geschwindigkeit v, bei turbulenter Strömung proportional zu v2.
Innere Reibung
Innere Reibung ist ein Energieverzehr bei Bewegung der Atome bzw. Moleküle eines Stoffes gegeneinander, zum Beispiel bei Strömungen innerhalb eines Öles. Es können äußere Kräfte wie die Schwerkraft auf jedes Flüssigkeitsteilchen wirken und Druckdifferenzen können Beschleunigungen hervorrufen. Innere Reibung bewirkt die Zähigkeit von Materialien bzw. die Viskosität in Flüssigkeiten. Für jedes Flüssigkeitsteilchen müssen sich die äußeren Kräfte, die Druckkräfte, die Reibungskräfte und die Trägheitskräfte das Gleichgewicht halten, wenn das Tribosystem nicht beschleunigt wird.
Die innere Reibung ist mit den Mitteln der statistischen Physik einer ganz anderen und ungleich präziseren Beschreibung zugänglich, als die Reibung zwischen unsauberen Festkörperoberflächen. Anders als in der Mechanik, in der Reibung so lange wie möglich vernachlässigt wird, ist innere Reibung in der Standardtheorie der Hydrodynamik – den Navier-Stokes-Gleichungen – fest enthalten.
Gasreibung
Bei der Gasreibung handelt es sich beispielsweise um den Luftwiderstand eines Fahrzeuges. Die Reibungskraft ist bei mittleren Geschwindigkeiten proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit, bei sehr geringen Teilchengrößen gilt das Gesetz von Stokes (siehe Strömungswiderstand). Gasreibung wird in einigen Fällen speziell genutzt:
Fallschirme, damit aus dem freien Fall ein kontrolliertes Sinken wird
Luftbremsen am Flugzeug, um den Abriss der Strömung zu erzwingen
Verglühen eines Meteors in der Atmosphäre
Die Reibung lässt sich durch Strukturierung der Oberfläche ändern (Dimple (Golf)).
Drosseln in Gasleitungen zur Begrenzung der Durchflussmenge
Erzeugen von Verdichtungswärme, z. B. zur Selbstzündung in Dieselmotoren und Turbinen (untergeordneter Effekt, da die Temperaturerhöhung bei Verdichtung durch Verringerung der Wärmekapazität des Gases entsteht.)
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: Egor
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