Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung

Schauen wir uns eine Kiste an, die auf einer schiefen Ebene steht und sich nicht bewegt (siehe Illustration 1). Warum rutscht sie nicht einfach nach unten? Dafür ist die Haftreibung (auch statische Reibung genannt) verantwortlich. Sie wirkt an der Kontaktfläche zwischen der Kiste und der schiefen Ebene und verhindert, dass die Kiste herunter gleitet. Die Haftreibung tritt immer dann auf, wenn zwei Oberflächen in Kontakt sind und versuchen, sich relativ zueinander zu bewegen, sich aber NICHT bewegen.

Die Haftreibung erzeugt eine Haftreibungskraft \( \boldsymbol{F}_{\text s} \) (Index s steht für static friction), die stets ENTGEGEN der Bewegung wirkt. Da wir hier als Beispiel eine schiefe Ebene betrachten, wirkt eine bestimmte Kraft \( \boldsymbol{F} \), die die Kiste nach unten zu verschieben versucht. Die Kiste bewegt sich aber noch nicht, weil die Haftreibungskraft genauso groß ist, wie die Kraft \( \boldsymbol{F} \): \( \boldsymbol{F}_{\text s} = \boldsymbol{F} \). Wir können diese Kraft \( \boldsymbol{F} \) erhöhen, indem wir die Kiste anschieben. Je stärker wir drücken, desto größer wird die Kraft \( \boldsymbol{F} \). Auch die Haftreibungskraft \( \boldsymbol{F}_{\text s} \) vergrößert sich um den gleichen Betrag und hebt die Kraft \( \boldsymbol{F} \) weg: \( \boldsymbol{F}_{\text s} = \boldsymbol{F} \). Das passiert bis zu einem Punkt, an dem die Kraft \( \boldsymbol{F} \) nicht mehr von der Haftreibungskraft kompensiert werden kann. Es gibt kein Kräftegleichgewicht mehr und die Kiste rutscht nach unten. In diesem Zustand ist \( \boldsymbol{F} \) größer als \( \boldsymbol{F}_{\text s} \).

Die maximal mögliche Haftreibungskraft \( \boldsymbol{F}_{\text s} \), die gerade noch die Kraft \( \boldsymbol{F} \) ausgleichen kann, ist proportional zur Normalkraft \( \boldsymbol{F}_{\text N} \). Die Proportionalitätskonstante zwischen der Haftreibungskraft und der Normalkraft wird Haftreibungszahl \( \class{green}{\mu_{\text s}} \) (oder Haftreibungskoeffizient) genannt:

Diese dimensionslose Zahl \( \class{green}{\mu_{\text s}} \) gibt an, wie schwer es ist, einen Körper in Bewegung zu versetzen.

Die Haftreibungszahl hängt vom Material der Kiste und der Oberfläche ab, auf der sie steht. Die Haftreibungskraft variiert daher je nachdem, ob es sich um eine Holz- oder Metallkiste auf einer schiefen Ebene handelt. Die Beschaffenheit der schiefen Ebene, ob sie beispielsweise aus Holz oder Metall besteht, wirkt sich ebenfalls auf die Haftreibung aus. Die untenstehende Tabelle enthält einige Beispiele für verschiedene Materialien der Kiste (oder ein anderer Körper) und der Oberfläche auf der sie steht:

Die Gleitreibung (auch dynamische Reibung genannt) tritt immer dann auf, wenn zwei Oberflächen aneinander vorbeigleiten. Wenn beispielsweise eine Kiste auf einer schiefen Ebene heruntergleitet (siehe Illustration 2), dann wirkt Gleitreibung an der Kontaktfläche zwischen der Kiste und der schiefen Ebene. Gleitreibung gibt es nicht, wenn die Kiste sich nicht bewegt.

Die Gleitreibung erzeugt eine Gleitreibungskraft \( \boldsymbol{F}_{\text k} \) (Index k steht für kinetic friction), die stets ENTGEGEN der Bewegung wirkt. Experimentell kann festgestellt werden, dass die Gleitreibungskraft \( \boldsymbol{F}_{\text k} \) proportional zur Normalkraft \( \boldsymbol{F}_{\text N} \) ist:

Das Verhältnis der Gleitreibungskraft zur Normalkraft wird Gleitreibungszahl \( \class{blue}{\mu_{\text k}} \) (oder Gleitreibungskoeffizient) genannt. Diese dimensionslose Zahl gibt an, wie schwer es ist, einen Körper auf einer bestimmten Oberfläche in Bewegung zu halten.

Genauso wie bei der Haftreibungszahl, hängt auch die Gleitreibungszahl vom Material der Kiste und der Oberfläche ab, auf der sie steht. Die untenstehende Tabelle enthält einige Beispiele für verschiedene Materialien der Kiste (oder ein anderer Körper) und der Oberfläche auf der sie steht und die sich dadurch ergebende Gleitreibungszahl:

Die Rollreibung tritt auf, wenn ein Körper (zum Beispiel eine Kugel oder ein Rad) auf einer Oberfläche rollt. Wenn beispielsweise eine Kugel auf einer schiefen Ebene hinunterrollt (siehe Illustration 3), dann wirkt Rollreibung an der Kontaktfläche zwischen der Kugel und der schiefen Ebene. Rollreibung gibt es nicht, wenn die ein runder Körper nicht rollt.

Die Rollreibung erzeugt eine Rollreibungskraft \( \boldsymbol{F}_{\text r} \) (Index r steht für rolling friction), die stets ENTGEGEN der Bewegung wirkt. Experimentell kann festgestellt werden, dass die Rollreibungskraft \( \boldsymbol{F}_{\text r} \) proportional zur Normalkraft \( \boldsymbol{F}_{\text N} \) ist:

Das Verhältnis der Rollreibungskraft zur Normalkraft wird Rollreibungszahl \( \class{red}{\mu_{\text r}} \) (oder Rollreibungskoeffizient) genannt. Diese dimensionslose Zahl gibt an, wie schwer es ist, einen runden Körper auf einer bestimmten Oberfläche zu rollen.

Die Rollreibungszahl hängt vom Material des runden Körpers und von der Oberfläche ab, auf dem dieser roll. Die untenstehende Tabelle enthält einige Beispiele für verschiedene Materialien des runden Körpers und der Oberfläche auf der dieser roll sowie die sich dadurch ergebende Rollreibungszahl: