Physik Realschule Bayern › Mechanik › Jahrgangsstufe 7
Reibung – Haftreibung, Gleitreibung, Rollreibung
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 7 · Bayern · Teilbereich Mechanik
Laut LehrplanPLUS nutzen Lernende der 7. Jahrgangsstufe ihre Kenntnisse über Reibung, um deren Bedeutung zu begründen, und veranschaulichen sie qualitativ. Reibung erklärt, warum Körper ohne Antrieb langsamer werden, und spielt später bei Arbeit, Energieentwertung und Wirkungsgrad eine wichtige Rolle.
Was ist Reibung?
Will man einen Körper über eine Unterlage schieben oder ziehen, wirkt eine Kraft, die dieser Bewegung entgegenwirkt: die Reibungskraft \(F_R\). Sie entsteht dort, wo sich die Oberflächen berühren. Selbst glatt wirkende Flächen sind, stark vergrößert betrachtet, uneben. Die Unebenheiten verhaken sich ineinander und müssen beim Bewegen überwunden werden.
Haftreibung, Gleitreibung, Rollreibung
- Haftreibung hält einen ruhenden Körper fest. Erst wenn die Zugkraft größer als die größtmögliche Haftreibungskraft ist, setzt er sich in Bewegung.
- Gleitreibung wirkt, wenn ein Körper über eine Unterlage rutscht.
- Rollreibung wirkt, wenn ein Körper auf Rädern oder Rollen rollt.
Merke: Bei gleichen Körpern und Unterlagen gilt in der Regel: Haftreibung > Gleitreibung > Rollreibung. Deshalb ist das Anschieben am schwersten, und Lasten auf Rädern lassen sich viel leichter bewegen.
Beispiel 1: Reibung mit dem Kraftmesser messen
Eine Kiste wird mit einem Kraftmesser waagrecht gezogen. Kurz bevor sie sich in Bewegung setzt, zeigt der Kraftmesser \(12\,\mathrm{N}\). Beim gleichmäßigen Weiterziehen zeigt er \(8\,\mathrm{N}\). Auf einen Rollwagen gestellt, reicht \(1\,\mathrm{N}\) zum gleichmäßigen Ziehen. Wie groß sind die drei Reibungskräfte?
Beim gleichmäßigen Ziehen bewegt sich die Kiste gleichförmig. Dann sind Zugkraft und Reibungskraft im Gleichgewicht, also gleich groß. Der Kraftmesser zeigt deshalb direkt die Reibungskraft an. Beim Losreißen zeigt er die größte Haftreibungskraft.
\( F_{R,\mathrm{Haft}}=12\,\mathrm{N}\qquad F_{R,\mathrm{Gleit}}=8\,\mathrm{N}\qquad F_{R,\mathrm{Roll}}=1\,\mathrm{N} \)
Antwort: Haftreibung \(12\,\mathrm{N}\), Gleitreibung \(8\,\mathrm{N}\), Rollreibung \(1\,\mathrm{N}\). Auf dem Rollwagen ist die Reibung nur ein Achtel der Gleitreibung.
Wovon die Reibungskraft abhängt
Die Reibungskraft wird größer, wenn der Körper stärker auf die Unterlage gedrückt wird (größere Anpresskraft), und sie hängt von der Beschaffenheit der Oberflächen ab, also vom Material und davon, wie rau oder glatt sie sind. Von der Größe der Auflagefläche hängt sie dagegen kaum ab.
Beispiel 2: Auflagefläche und Last verändern
Die Kiste aus Beispiel 1 wird erst hochkant gestellt und dann wieder flach mit einer zweiten, gleichen Kiste beladen. Jeweils wird die Gleitreibung gemessen.
| Versuch | Gleitreibung |
| Kiste flach | \(8\,\mathrm{N}\) |
| Kiste hochkant (kleinere Auflagefläche) | \(8\,\mathrm{N}\) |
| zwei Kisten übereinander (doppelte Anpresskraft) | \(16\,\mathrm{N}\) |
Antwort: Die kleinere Auflagefläche ändert die Reibung praktisch nicht. Die doppelte Anpresskraft verdoppelt dagegen die Reibungskraft.
Vertiefung: Die Reibungszahl
Dieser Abschnitt geht über den LehrplanPLUS der 7. Jahrgangsstufe hinaus, der Reibung qualitativ behandelt. Er ist eine Ergänzung für alle, die die Reibungskraft auch berechnen wollen.
Die Messungen zeigen: Die Reibungskraft ist proportional zur Kraft, mit der der Körper senkrecht auf die Unterlage gedrückt wird. Diese Kraft heißt Normalkraft \(F_N\). Auf waagrechtem Boden ist sie gleich der Gewichtskraft. Der Proportionalitätsfaktor ist die Reibungszahl \(\mu\) (gesprochen „mü“):
\( F_R=\mu\cdot F_N \)
Die Reibungszahl hat keine Einheit. Sie hängt von den beiden Materialien und ihrer Oberfläche ab, etwa ob sie trocken, nass oder geschmiert sind. Für jede Materialpaarung gibt es eine Haftreibungszahl \(\mu_H\), eine Gleitreibungszahl \(\mu_G\) und eine Rollreibungszahl \(\mu_R\), in der Regel mit \(\mu_H>\mu_G>\mu_R\). Umgestellt ergibt sich:
\( \mu=\dfrac{F_R}{F_N} \)
Beispiel 3: Reibungszahlen aus der Messung bestimmen
Die Kiste aus den Beispielen 1 und 2 hat eine Gewichtskraft von \(40\,\mathrm{N}\). Die Messungen werden mit zwei und mit drei übereinandergestellten Kisten wiederholt. Wie groß sind die Haft- und die Gleitreibungszahl?
| \(F_N\) in \(\mathrm{N}\) | 40 | 80 | 120 |
| Haftreibung \(F_R\) in \(\mathrm{N}\) | 12 | 24 | 36 |
| Gleitreibung \(F_R\) in \(\mathrm{N}\) | 8 | 16 | 24 |
Gegeben: Messwerte der Tabelle, Boden waagrecht, also \(F_N=F_G\)
Gesucht: \(\mu_H\), \(\mu_G\)
Formel: \(\mu=\frac{F_R}{F_N}\)
\( \mu_H=\dfrac{12\,\mathrm{N}}{40\,\mathrm{N}}=0{,}30\qquad \mu_G=\dfrac{8\,\mathrm{N}}{40\,\mathrm{N}}=0{,}20 \)
Mit den anderen Spalten ergeben sich dieselben Quotienten. Im Diagramm liegen die Messpunkte auf Ursprungsgeraden; deren Steigung ist die Reibungszahl.
Antwort: Für diese Kiste auf diesem Boden gilt \(\mu_H=0{,}30\) und \(\mu_G=0{,}20\). Die Rollreibungszahl auf dem Rollwagen beträgt \(\frac{1\,\mathrm{N}}{40\,\mathrm{N}}=0{,}025\).
Beispiel 4: Einen Schrank verschieben
Ein Schrank mit einer Gewichtskraft von \(600\,\mathrm{N}\) soll gleichmäßig über den Boden geschoben werden. Die Gleitreibungszahl beträgt \(\mu_G=0{,}30\). Mit welcher Kraft muss geschoben werden? Wie ändert sich das mit Filzgleitern \((\mu_G=0{,}10)\)?
Gegeben: \(F_G=F_N=600\,\mathrm{N}\), \(\mu_G=0{,}30\) bzw. \(0{,}10\)
Gesucht: Schiebekraft \(F\)
Formel: \(F_R=\mu_G\cdot F_N\); beim gleichmäßigen Schieben gilt \(F=F_R\)
\( F_R=0{,}30\cdot 600\,\mathrm{N}=180\,\mathrm{N}\qquad F_{R,\mathrm{Filz}}=0{,}10\cdot 600\,\mathrm{N}=60\,\mathrm{N} \)
Antwort: Ohne Gleiter sind \(180\,\mathrm{N}\) nötig, mit Filzgleitern nur \(60\,\mathrm{N}\). Zum Losreißen braucht man jeweils etwas mehr, weil die Haftreibung größer ist.
Beispiel 5: Ohne Reibung kein Gehen
Warum kommt man beim Gehen vorwärts, und warum rutscht man auf Glatteis weg?
Beim Abstoßen drückt der Fuß nach hinten gegen den Boden. Die Haftreibung verhindert, dass der Fuß nach hinten wegrutscht; sie wirkt auf den Fuß nach vorne und treibt den Körper an. Auf Glatteis ist die größtmögliche Haftreibung sehr klein. Schon eine geringe Kraft nach hinten reicht, damit der Fuß wegrutscht. Streusand oder Spikes erhöhen die Reibung wieder.
Antwort: Gehen funktioniert nur dank Haftreibung zwischen Schuh und Boden. Ohne Reibung wäre auch Bremsen, Anfahren und Lenken eines Autos unmöglich.
Beispiel 6: Erwünscht oder unerwünscht?
Reibung ist mal hilfreich, mal hinderlich. Für sechs Alltagsbeispiele wird eingeordnet, ob die Reibung erwünscht ist und wie man sie beeinflusst.
| Situation | Reibung | Maßnahme |
| Bremsen beim Fahrrad | erwünscht | raue Bremsbeläge, trockene Felgen |
| Schuhsohlen, Autoreifen | erwünscht | Profil, griffige Gummimischung |
| Glatteis auf dem Gehweg | erwünscht, aber zu klein | Streusand, Spikes |
| Fahrradkette, Motor | unerwünscht | Öl oder Fett schmieren |
| schwere Möbel verschieben | unerwünscht | Filzgleiter, Rollen |
| Achsen von Rädern | unerwünscht | Kugellager (Rollen statt Gleiten) |
Antwort: Reibung lässt sich verringern durch Schmieren, Glätten und Rollen statt Gleiten. Erhöhen lässt sie sich durch raue Oberflächen, Profile und größere Anpresskraft.
Reibung hat noch eine Folge: Die beteiligten Körper werden warm. Reibt man die Hände kräftig aneinander, spürt man das sofort. Bei Bremsen kann diese Erwärmung sehr groß werden.
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Reibung zeigt immer gegen die Bewegungsrichtung des Körpers: Nicht ganz. Sie wirkt dem Rutschen der Berührflächen gegeneinander entgegen. Beim Gehen zeigt die Haftreibung auf den Fuß deshalb nach vorne.
- Kraftmesser beim Anziehen abgelesen: Die Gleitreibung wird nur beim gleichmäßigen Ziehen gemessen, weil dann Zug- und Reibungskraft im Gleichgewicht sind.
- Große Auflagefläche = große Reibung: Die Auflagefläche hat kaum Einfluss, die Anpresskraft dagegen schon.
- Reibung nur als Nachteil gesehen: Ohne Reibung gäbe es kein Gehen, Bremsen, Knoten oder Schreiben mit dem Bleistift.
- Normalkraft falsch eingesetzt: In \(F_R=\mu\cdot F_N\) steht die Kraft senkrecht zur Unterlage. Nur auf waagrechtem Boden ist sie gleich der Gewichtskraft; die Zugkraft gehört nicht in die Formel.
- Reihenfolge vertauscht: In der Regel gilt Haftreibung > Gleitreibung > Rollreibung.
Üben: Aufgaben zur Reibung
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zu Reibungsarten, zur Reibungszahl, zum Auswerten von Kraftmesser-Messungen und zur Einordnung von Alltagssituationen, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
Vorheriges Thema: Masse, Gewichtskraft und Ortsfaktor
Nächstes Thema: Dichte
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