Gleitreibung, besser bekannt als kinetische Reibung, ist eine Kraft, die der Gleitbewegung zweier sich aneinander vorbeibewegender Oberflächen entgegenwirkt. Im Gegensatz dazu ist Haftreibung eine Art Reibungskraft zwischen zwei Oberflächen, die gegeneinander drücken, aber nicht relativ zueinander gleiten. (Stellen Sie sich vor, Sie schieben auf einen Stuhl, bevor er über den Boden rutscht. Der Kraft, die Sie aufbringen, bevor das Gleiten beginnt, wirkt die Haftreibung entgegen.)
Gleitreibung erfordert normalerweise einen geringeren Widerstand als Haftreibung, weshalb Sie oft stärker drücken müssen, um ein Objekt zum Gleiten zu bringen, als um es am Gleiten zu halten. Der Betrag der Reibungskraft ist direkt proportional zum Betrag der Normalkraft. Denken Sie daran, dass die Normalkraft die Kraft senkrecht zur Oberfläche ist, die allen anderen in diese Richtung wirkenden Kräften entgegenwirkt.
Die Proportionalitätskonstante ist eine einheitslose Größe, die Reibungskoeffizient genannt wird, und sie variiert in Abhängigkeit von den Kontaktflächen. (Werte für diesen Koeffizienten werden normalerweise in Tabellen nachgeschlagen.) Der Reibungskoeffizient wird normalerweise durch den griechischen Buchstaben dargestellt
F_f=\mu_kF_N
WoFNeinist die Größe der Normalkraft, die Einheiten sind in Newton (N) und die Richtung dieser Kraft ist der Bewegungsrichtung entgegengesetzt.
Rollreibungsdefinition
Der Rollwiderstand wird manchmal als Rollreibung bezeichnet, obwohl er nicht genau eine Reibungskraft ist, da er nicht das Ergebnis zweier sich berührender Oberflächen ist, die versuchen, gegeneinander zu drücken. Es handelt sich um eine Widerstandskraft, die aus Energieverlusten aufgrund von Verformungen des Wälzkörpers und der Oberfläche resultiert.
Wie bei Reibungskräften ist die Größe der Rollwiderstandskraft jedoch direkt proportional zum Betrag der Normalkraft, mit einer Proportionalitätskonstante, die von den Flächen in. abhängt Kontakt. Währendμrwird manchmal für den Koeffizienten verwendet, es ist häufiger zu sehenCrr, wobei die Gleichung für die Größe des Rollwiderstands wie folgt lautet:
F_r=C_{rr}F_N
Diese Kraft wirkt entgegen der Bewegungsrichtung.
Beispiele für Gleitreibung und Rollwiderstand
Betrachten wir ein Reibungsbeispiel mit einem Dynamikwagen, der in einem typischen Physikunterrichtsraum zu finden ist, und vergleichen wir die Beschleunigung, mit der es auf einer um 20 Grad geneigten Metallschiene für drei verschiedene Szenarien:
Szenario 1:Es gibt keine Reibungs- oder Widerstandskräfte, die auf den Wagen wirken, da er frei rollt, ohne die Schiene herunterzurutschen.
Zuerst zeichnen wir das Freikörperdiagramm. Die einzig wirkenden Kräfte sind die senkrecht nach unten gerichtete Schwerkraft und die senkrecht zur Oberfläche gerichtete Normalkraft.
Die Nettokraftgleichungen lauten:
F_{netx}=F_g\sin{\theta}=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
Wir können sofort die erste Gleichung für die Beschleunigung lösen und Werte eingeben, um die Antwort zu erhalten:
F_g\sin{\theta}=ma\\ \implies mg\sin(\theta)=ma\\ \implies a=g\sin(\theta)=9.8\sin (20)=\boxed{3.35\text{ m/s}^2}
Szenario 2:Der Rollwiderstand wirkt auf den Wagen, da er frei rollt, ohne auf der Schiene abzurutschen.
Hier nehmen wir einen Rollwiderstandsbeiwert von 0,0065 an, der auf einem Beispiel aus a. basiert Papier- von der US-Marineakademie.
Jetzt beinhaltet unser Freikörperdiagramm den Rollwiderstand, der auf der Strecke wirkt. Unsere Nettokraftgleichungen werden:
F_{netx}=F_g\sin{\theta}-F_r=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
Aus der zweiten Gleichung können wir auflösen nachFNein, setze das Ergebnis in den Reibungsausdruck in der ersten Gleichung ein und löse nachein:
F_N-F_g\cos(\theta)=0\impliziert F_N=F_g\cos(\theta)\\ F_g\sin(\theta)-C_{rr}F_N=F_g\sin(\theta)-C_{rr} F_g\cos(\theta)=ma\\ \impliziert \cancel mg\sin(\theta)-C_{rr}\cancel mg\cos(\theta)=\cancel ma\\ \implies a=g(\sin(\theta)-C_{rr}\cos(\theta) )=9,8(\sin (20)-0,0065\cos (20))\\ =\boxed{3,29 \text{m/s}^2}
Szenario 3:Die Räder des Wagens sind arretiert und er gleitet die Schiene hinunter, behindert durch Gleitreibung.
Hier verwenden wir einen Gleitreibungskoeffizienten von 0,2, der in der Mitte des für Kunststoff auf Metall typischen Wertebereichs liegt.
Unser Freikörperdiagramm sieht dem Rollwiderstandsfall sehr ähnlich, außer dass es sich um eine Gleitreibungskraft handelt, die die Rampe hinauf wirkt. Unsere Nettokraftgleichungen werden:
F_{netx}=F_g\sin{\theta}-F_k=ma\\ F_{nety}=F_N-F_g\cos(\theta)=0
Und wieder lösen wir nacheinIn ähnlicher weise:
F_N-F_g\cos(\theta)=0\impliziert F_N=F_g\cos(\theta)\\ F_g\sin(\theta)-\mu_kF_N=F_g\sin(\theta)-\mu_kF_g\cos(\theta )=ma\\ \impliziert \cancel mg\sin(\theta)-\mu_k\cancel mg\cos(\theta)=\cancel ma\\ \impliziert a=g(\sin(\theta)-\mu_k\cos(\theta))=9,8( \sin (20)-0,2\cos (20))\\ =\boxed{1,51 \text{m/s}^2}
Beachten Sie, dass die Beschleunigung mit Rollwiderstand dem reibungsfreien Fall sehr nahe kommt, während der Gleitreibungsfall deutlich anders ist. Deshalb wird der Rollwiderstand in den meisten Situationen vernachlässigt und das Rad war eine geniale Erfindung!