Reibung

Die Kraft zwischen zwei Oberflächen, die einer Bewegung entgegenwirkt. Sie ist proportional zur Normalkraft (F_R = μ·F_N), unabhängig von der Kontaktfläche, beim Anfahren (Haftreibung) grösser als beim Gleiten (Gleitreibung).

Ursache

Reibung entsteht, weil mikroskopisch unebene Oberflächen sich ineinander verhaken. Je stärker sie zusammengedrückt werden, desto grösser die Reibung. Ohne Reibung könnte man weder gehen noch Auto fahren (Quelle - Physik für Dummies, Kap. 6).

Normalkraft und Reibungskoeffizient

• Die Normalkraft F_N ist die Kraft, die die Flächen senkrecht zusammendrückt. Auf waagrechtem Boden ist sie gleich dem Gewicht m·g, auf der schiefen Ebene kleiner: F_N = m·g·cos θ.
• F_R = μ · F_N. Der Reibungskoeffizient μ hängt von beiden Materialien ab und muss gemessen werden. Die Gleichung verbindet nur die Beträge, denn F_R wirkt parallel, F_N senkrecht zur Fläche.
• Die Reibung hängt nicht von der Grösse der Kontaktfläche ab: Doppelte Fläche heisst halber Druck pro Quadratzentimeter.

Haftreibung und Gleitreibung

• Haftreibung (μ_H): wirkt, solange sich nichts bewegt. Sie muss überwunden werden, um etwas in Gang zu setzen.
• Gleitreibung (μ_Gl): wirkt, wenn die Flächen aneinander gleiten. Sie ist kleiner, weil sich die Unebenheiten nicht mehr richtig verzahnen.
• Alltagsbeleg: Eine rutschende Kiste auf der Rampe bleibt stehen, wenn man sie einmal mit dem Fuss anhält.
• Beispiel Goldbarren (1000 kg): Mit μ_H = 0,3 braucht der Dieb 2940 N, um ihn loszureissen, mit μ_Gl = 0,18 noch etwa 1800 N, um ihn in Bewegung zu halten.

Schiefe Ebene

Auf einer um θ geneigten Ebene zerlegt man das Gewicht m·g:

• parallel zur Ebene: m·g·sin θ (treibt den Körper hinab)
• senkrecht zur Ebene: m·g·cos θ (die Normalkraft)

Ohne Reibung ist die Beschleunigung a = g·sin θ, unabhängig von der Masse. Ein Wagen oder ein Eiswürfel erreicht nach 5 m auf 30° Neigung √(2·g·sin 30°·5 m) ≈ 7 m/s (Kap. 6).

Trick für Winkel: θ gedanklich auf 0° und 90° setzen und prüfen, ob die Formel dann das Erwartete liefert (Kap. 6).

Beispiel Kühlschrank (100 kg, Rampe 30°, μ_H = 0,2, μ_Gl = 0,15):

• Hinaufschieben: F = m·g·sin θ + μ_H·m·g·cos θ ≈ 490 N + 170 N = 660 N.
• Hinabrutschen: F = m·g·sin θ − μ_Gl·m·g·cos θ ≈ 360 N, a = 3,6 m/s², nach 3 m Rampe v ≈ 4,6 m/s.
• Auf dem Boden bremst ihn μ_Gl·m·g = 147 N, er rutscht noch 7,4 m weit (Kap. 6).

Reibung ist eine nicht-konservative Kraft: Sie wandelt Bewegungsenergie in Wärme um, und wie viel, hängt vom Weg ab (Arbeit und Energie).

Verwandt

• Newtonsche Gesetze – Reibung als Kraft im Kräftediagramm
• Kreisbewegung – Haftreibung liefert die Zentripetalkraft in der Kurve
• Rotation – die Leiter an der Wand braucht Reibung für ihr Gleichgewicht
• Arbeit und Energie – Reibung als nicht-konservative Kraft
• Trigonometrie – Zerlegung mit sin θ und cos θ