Reibung - Friction

Abbildung 1: Simulierte Blöcke mit fraktalen rauen Oberflächen, die Haftreibungswechselwirkungen aufweisen

Reibung ist die Kraft , die der Relativbewegung von festen Oberflächen, Flüssigkeitsschichten und gegeneinander gleitenden Materialelementen entgegenwirkt . Es gibt verschiedene Arten von Reibung:

  • Trockenreibung ist eine Kraft, die der relativen seitlichen Bewegung zweier sich berührender fester Oberflächen entgegenwirkt. Trockenreibung wird unterteilt in Haftreibung (" Haft ") zwischen nicht bewegten Oberflächen und Gleitreibung zwischen bewegten Oberflächen. Mit Ausnahme der atomaren oder molekularen Reibung entsteht die Trockenreibung im Allgemeinen aus der Wechselwirkung von Oberflächenmerkmalen, den sogenannten Unebenheiten (siehe Abbildung 1).
  • Die Flüssigkeitsreibung beschreibt die Reibung zwischen Schichten einer viskosen Flüssigkeit, die sich relativ zueinander bewegen.
  • Geschmierte Reibung ist ein Fall von Flüssigkeitsreibung, bei dem eine Schmierflüssigkeit zwei feste Oberflächen trennt.
  • Die Mantelreibung ist eine Komponente des Widerstands , der Kraft, die der Bewegung einer Flüssigkeit über die Oberfläche eines Körpers entgegenwirkt.
  • Innere Reibung ist die Kraftwiderstandsbewegung zwischen den Elementen zu einem festen Material bilden , während es erfährt eine Verformung .

Wenn sich Oberflächen, die sich berühren, relativ zueinander bewegen, wandelt die Reibung zwischen den beiden Oberflächen kinetische Energie in thermische Energie um (d. h. sie wandelt Arbeit in Wärme um ). Diese Eigenschaft kann dramatische Folgen haben, wie die Reibung zeigt, die durch das Aneinanderreiben von Holzstücken entsteht, um ein Feuer zu entfachen. Kinetische Energie wird immer dann in Wärmeenergie umgewandelt, wenn eine Bewegung mit Reibung auftritt, zum Beispiel wenn eine viskose Flüssigkeit gerührt wird. Eine weitere wichtige Folge vieler Reibungsarten kann Verschleiß sein , der zu Leistungseinbußen oder Schäden an Komponenten führen kann. Reibung ist ein Bestandteil der Wissenschaft der Tribologie .

Reibung ist wünschenswert und wichtig , um Traktion bereitzustellen , um die Bewegung an Land zu erleichtern. Die meisten Landfahrzeuge sind beim Beschleunigen, Verzögern und Richtungswechsel auf Reibung angewiesen. Plötzliches Nachlassen der Traktion kann zu Kontrollverlust und Unfällen führen.

Reibung ist selbst keine fundamentale Kraft . Trockenreibung entsteht aus einer Kombination von Oberflächenhaftung, Oberflächenrauheit, Oberflächenverformung und Oberflächenverunreinigung. Die Komplexität dieser Wechselwirkungen macht eine Reibungsberechnung aus ersten Prinzipien unpraktisch und erfordert den Einsatz empirischer Methoden zur Analyse und Theoriebildung.

Reibung ist eine nicht konservative Kraft – die gegen Reibung geleistete Arbeit ist wegabhängig. Bei Reibung wird immer ein Teil der kinetischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt, so dass die mechanische Energie nicht erhalten bleibt.

Geschichte

Die Griechen, darunter Aristoteles , Vitruv und Plinius der Ältere , waren an der Ursache und Milderung von Reibungen interessiert. Sie waren sich der Unterschiede zwischen Haftreibung und Gleitreibung bewusst, wobei Themistius 350 n . Chr. feststellte, dass "es einfacher ist, die Bewegung eines sich bewegenden Körpers zu fördern, als einen Körper im Ruhezustand zu bewegen".

Die klassischen Gesetze der Gleitreibung wurden 1493 von Leonardo da Vinci , einem Pionier der Tribologie , entdeckt, aber die in seinen Notizbüchern dokumentierten Gesetze wurden nicht veröffentlicht und blieben unbekannt. Diese Gesetze wurden 1699 von Guillaume Amontons wiederentdeckt und wurden als Amontons drei Trockenreibungsgesetze bekannt. Amontons präsentierte die Art der Reibung in Form von Oberflächenunregelmäßigkeiten und der Kraft, die erforderlich ist, um das Gewicht anzuheben, das die Oberflächen zusammendrückt. Diese Ansicht wurde von Bernard Forest de Bélidor und Leonhard Euler (1750) weiter ausgearbeitet , die den Schüttwinkel eines Gewichts auf einer schiefen Ebene herleiteten und zunächst zwischen Haftreibung und Gleitreibung unterschieden. John Theophilus Desaguliers (1734) erkannte zuerst die Rolle der Adhäsion bei der Reibung. Mikroskopische Kräfte lassen Oberflächen zusammenkleben; er schlug vor, dass Reibung die notwendige Kraft ist, um die anhaftenden Oberflächen auseinander zu reißen.

Das Reibungsverständnis wurde von Charles-Augustin de Coulomb (1785) weiterentwickelt. Coulomb untersuchte den Einfluss von vier Hauptfaktoren auf die Reibung: die Beschaffenheit der in Kontakt stehenden Materialien und deren Oberflächenbeschichtung; die Ausdehnung der Oberfläche; der normale Druck (oder die Last); und wie lange die Oberflächen in Kontakt blieben (Ruhezeit). Coulomb betrachtete außerdem den Einfluss von Gleitgeschwindigkeit, Temperatur und Feuchtigkeit, um zwischen den verschiedenen vorgeschlagenen Erklärungen zur Art der Reibung zu entscheiden. Die Unterscheidung zwischen Haft- und Gleitreibung wird in Coulomb-Reibungsgesetz (siehe unten), obwohl diese Unterscheidung bereits gezogen wurde Johann Andreas von Segner in 1758. Die Wirkung der Zeit der Ruhe wurde erklärt , durch Pieter van Musschenbroek (1762) unter Berücksichtigung die Oberflächen von Fasermaterialien, wobei die Fasern ineinandergreifen, was eine endliche Zeit dauert, in der die Reibung zunimmt.

John Leslie (1766–1832) bemerkte eine Schwäche in den Ansichten von Amontons und Coulomb: Wenn Reibung dadurch entsteht, dass ein Gewicht die schiefe Ebene aufeinanderfolgender Unebenheiten hochgezogen wird , warum wird es dann nicht ausgeglichen, indem es den gegenüberliegenden Hang hinabsteigt? Leslie war ebenso skeptisch gegenüber der von Desaguliers vorgeschlagenen Rolle der Adhäsion, die im Großen und Ganzen die gleiche Tendenz haben sollte, die Bewegung zu beschleunigen wie zu verzögern. Nach Leslies Ansicht ist Reibung als ein zeitabhängiger Prozess des Abflachens, des Niederdrückens von Unebenheiten zu sehen, der neue Hindernisse in den zuvor vorhandenen Hohlräumen schafft.

Arthur Jules Morin (1833) entwickelte das Konzept der Gleitreibung gegenüber der Rollreibung. Osborne Reynolds (1866) leitete die Gleichung der viskosen Strömung ab. Damit ist das klassische empirische Reibungsmodell (statisch, kinetisch und flüssig) vervollständigt, das heute in der Technik gebräuchlich ist. 1877 untersuchten Fleeming Jenkin und JA Ewing die Kontinuität zwischen Haftreibung und Gleitreibung.

Der Schwerpunkt der Forschung im 20. Jahrhundert lag darauf, die physikalischen Mechanismen der Reibung zu verstehen. Frank Philip Bowden und David Tabor (1950) zeigten, dass auf mikroskopischer Ebene die tatsächliche Kontaktfläche zwischen Oberflächen ein sehr kleiner Bruchteil der scheinbaren Fläche ist. Diese tatsächliche Kontaktfläche, die durch Unebenheiten verursacht wird, nimmt mit dem Druck zu. Die Entwicklung des Rasterkraftmikroskops (ca. 1986) ermöglichte es Wissenschaftlern, Reibung auf atomarer Skala zu untersuchen und zu zeigen, dass auf dieser Skala die Trockenreibung das Produkt aus der Scherspannung zwischen den Oberflächen und der Kontaktfläche ist. Diese beiden Entdeckungen erklären das erste Gesetz von Amonton (unten) ; die makroskopische Proportionalität zwischen Normalkraft und Haftreibungskraft zwischen trockenen Oberflächen.

Gesetze der Trockenreibung

Die elementare Eigenschaft der Gleitreibung wurde im 15. bis 18. Jahrhundert experimentell entdeckt und in drei empirischen Gesetzen ausgedrückt:

  • Erstes Amontons- Gesetz : Die Reibungskraft ist direkt proportional zur aufgebrachten Last.
  • Zweites Amontons-Gesetz : Die Reibungskraft ist unabhängig von der scheinbaren Kontaktfläche.
  • Coulombsches Reibungsgesetz : Die kinetische Reibung ist unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit.

Trockenreibung

Trockenreibung widersteht der relativen seitlichen Bewegung zweier fester Oberflächen in Kontakt. Die beiden Regime der Trockenreibung sind "Haftreibung" (" Haftung ") zwischen nicht bewegten Oberflächen und kinetische Reibung (manchmal als Gleitreibung oder dynamische Reibung bezeichnet) zwischen sich bewegenden Oberflächen.

Die Coulomb-Reibung, benannt nach Charles-Augustin de Coulomb , ist ein Näherungsmodell zur Berechnung der Trockenreibungskraft. Es richtet sich nach dem Modell:

wo

  • ist die Reibungskraft, die von jeder Oberfläche auf die andere ausgeübt wird. Sie ist parallel zur Oberfläche, in einer Richtung entgegengesetzt zur aufgebrachten Nettokraft.
  • ist der Reibungskoeffizient, der eine empirische Eigenschaft der sich berührenden Materialien ist,
  • ist die Normalkraft, die von jeder Oberfläche auf die andere ausgeübt wird, senkrecht (normal) zur Oberfläche gerichtet.

Die Coulomb-Reibung kann einen beliebigen Wert von null bis annehmen , und die Richtung der Reibungskraft gegen eine Oberfläche ist der Bewegung entgegengesetzt, die diese Oberfläche ohne Reibung erfahren würde. Somit ist im statischen Fall die Reibungskraft genau so groß, wie sie sein muss, um eine Bewegung zwischen den Oberflächen zu verhindern; es gleicht die Nettokraft aus, die dazu neigt, eine solche Bewegung zu verursachen. In diesem Fall liefert die Coulomb-Näherung anstelle einer Schätzung der tatsächlichen Reibungskraft einen Schwellenwert für diese Kraft, oberhalb dessen die Bewegung beginnen würde. Diese maximale Kraft wird als Zugkraft bezeichnet .

Die Reibungskraft wird immer in eine Richtung ausgeübt, die der Bewegung (bei der Gleitreibung) oder der potentiellen Bewegung (bei der Haftreibung) zwischen den beiden Oberflächen entgegenwirkt. Beispielsweise erfährt ein über das Eis gleitender Curlingstein eine kinetische Kraft, die ihn verlangsamt. Als Beispiel für eine mögliche Bewegung erfahren die Antriebsräder eines sich beschleunigenden Autos eine nach vorne gerichtete Reibungskraft; Andernfalls würden die Räder durchdrehen, und der Gummi würde auf dem Bürgersteig rückwärts rutschen. Beachten Sie, dass es nicht die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ist, der sie entgegenwirken, sondern die Richtung des (potentiellen) Rutschens zwischen Reifen und Straße.

Normale Kraft

Freikörperdiagramm für einen Block auf einer Rampe. Pfeile sind Vektoren , die Richtungen und Größen von Kräften angeben. N ist die Normalkraft, mg ist die Schwerkraft und F f ist die Reibungskraft.

Die Normalkraft ist definiert als die Nettokraft, die zwei parallele Flächen zusammendrückt, und ihre Richtung ist senkrecht zu den Flächen. Im einfachen Fall einer auf einer horizontalen Fläche ruhenden Masse ist die einzige Komponente der Normalkraft die Schwerkraft, wobei . In diesem Fall sagen uns die Gleichgewichtsbedingungen, dass die Größe der Reibungskraft null ist , . Tatsächlich erfüllt die Reibungskraft immer , wobei die Gleichheit nur bei einem kritischen Rampenwinkel (gegeben durch ) erreicht wird, der steil genug ist, um ein Gleiten einzuleiten.

Der Reibungskoeffizient ist eine empirische (experimentell gemessene) Struktureigenschaft, die nur von verschiedenen Aspekten der kontaktierenden Materialien abhängt, wie beispielsweise der Oberflächenrauheit. Der Reibungskoeffizient ist keine Funktion von Masse oder Volumen. Ein großer Aluminiumblock hat beispielsweise den gleichen Reibungskoeffizienten wie ein kleiner Aluminiumblock. Die Größe der Reibungskraft selbst hängt jedoch von der Normalkraft und damit von der Masse des Blocks ab.

Je nach Situation kann die Berechnung der Normalkraft auch andere Kräfte als die Schwerkraft einbeziehen. Wenn sich ein Objekt auf einer ebenen Fläche befindet und einer externen Kraft ausgesetzt ist, die dazu neigt, zu gleiten, dann beträgt die Normalkraft zwischen dem Objekt und der Oberfläche gerade , wobei das Gewicht des Blocks und die nach unten gerichtete Komponente der externen Kraft ist. Vor dem Gleiten ist diese Reibungskraft , wobei die horizontale Komponente der äußeren Kraft ist. Also im Allgemeinen. Das Gleiten beginnt erst, wenn diese Reibungskraft den Wert erreicht . Bis dahin ist Reibung alles, was sie sein muss, um ein Gleichgewicht herzustellen, also kann sie einfach als Reaktion behandelt werden.

Befindet sich das Objekt auf einer geneigten Oberfläche wie einer schiefen Ebene, ist die Schwerkraftnormale kleiner als , da ein geringerer Anteil der Schwerkraft senkrecht zur Fläche der Ebene steht. Die Normalkraft und die Reibungskraft werden schließlich mittels Vektoranalyse , meist über ein Freikörperdiagramm, bestimmt .

Im Allgemeinen besteht ein Verfahren zur Lösung eines statischen Problems mit Reibung darin, sich berührende Oberflächen vorläufig als unbeweglich zu behandeln, so dass die entsprechende tangentiale Reaktionskraft zwischen ihnen berechnet werden kann. Wenn diese Reibungsreaktionskraft erfüllt ist , war die vorläufige Annahme richtig und es handelt sich um die tatsächliche Reibungskraft. Andernfalls muss die Reibungskraft gleich gesetzt werden , und dann würde die resultierende Kraftunwucht dann die mit dem Schlupf verbundene Beschleunigung bestimmen.

Reibungskoeffizient

Der Reibungskoeffizient (COF), oft symbolisiert durch den griechischen Buchstaben µ , ist ein dimensionsloser skalarer Wert, der dem Verhältnis der Reibungskraft zwischen zwei Körpern und der Kraft entspricht, die sie während oder zu Beginn des Rutschens zusammendrückt. Der Reibungskoeffizient hängt von den verwendeten Materialien ab; Eis auf Stahl hat beispielsweise einen niedrigen Reibungskoeffizienten, während Gummi auf Pflaster einen hohen Reibungskoeffizienten hat. Reibungskoeffizienten reichen von nahe null bis größer als eins. Es ist ein Axiom der Natur der Reibung zwischen Metalloberflächen, dass sie zwischen zwei Oberflächen ähnlicher Metalle größer ist als zwischen zwei Oberflächen unterschiedlicher Metalle – daher hat Messing einen höheren Reibungskoeffizienten, wenn es gegen Messing bewegt wird, aber weniger, wenn es gegeneinander bewegt wird Stahl oder Aluminium.

Für Oberflächen in Ruhe in Bezug zueinander , wobei der Koeffizient der statischen Reibung . Dies ist normalerweise größer als sein kinetisches Gegenstück. Der Haftreibungskoeffizient, den ein Paar sich berührender Oberflächen aufweist, hängt von den kombinierten Auswirkungen der Materialverformungseigenschaften und der Oberflächenrauheit ab , die beide ihren Ursprung in der chemischen Bindung zwischen Atomen in jedem der Massenmaterialien und zwischen den Materialoberflächen und anderen haben adsorbiertes Material . Die Fraktalität von Oberflächen, ein Parameter, der das Skalierungsverhalten von Oberflächenunebenheiten beschreibt, spielt bekanntlich eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Größe der Haftreibung.

Wo ist bei relativ bewegten Oberflächen der Gleitreibungskoeffizient . Die Coulombsche Reibung ist gleich , und die Reibungskraft auf jede Oberfläche wird in die entgegengesetzte Richtung zu ihrer Bewegung relativ zur anderen Oberfläche ausgeübt.

Arthur Morin führte den Begriff ein und demonstrierte die Nützlichkeit des Reibungskoeffizienten. Der Reibungskoeffizient ist ein empirisches Maß – er muss experimentell gemessen werden und kann nicht durch Berechnungen ermittelt werden. Rauere Oberflächen haben tendenziell höhere effektive Werte. Sowohl der statische als auch der kinetische Reibungskoeffizient hängen von dem Paar der sich berührenden Oberflächen ab; für ein gegebenes Oberflächenpaar ist der Haftreibungskoeffizient normalerweise größer als der der Gleitreibung; in einigen Sätzen sind die beiden Koeffizienten gleich, beispielsweise Teflon-auf-Teflon.

Die meisten trockenen Materialien in Kombination haben Reibungskoeffizientenwerte zwischen 0,3 und 0,6. Werte außerhalb dieses Bereichs sind seltener, aber Teflon kann beispielsweise einen niedrigen Koeffizienten von 0,04 haben. Ein Wert von Null würde keinerlei Reibung bedeuten, eine schwer fassbare Eigenschaft. Gummi in Kontakt mit anderen Oberflächen kann Reibungskoeffizienten von 1 bis 2 ergeben. Gelegentlich wird behauptet, dass μ immer < 1 ist, aber das stimmt nicht. Während in den meisten relevanten Anwendungen μ < 1 ist, bedeutet ein Wert über 1 lediglich, dass die Kraft, die erforderlich ist, um ein Objekt entlang der Oberfläche zu gleiten, größer ist als die Normalkraft der Oberfläche auf das Objekt. Beispielsweise Silikonkautschuk oder Acrylkautschuk beschichteten Oberflächen einen Reibungskoeffizienten, der wesentlich größer als 1 sein kann.

Während oft behauptet wird, dass der COF eine "Materialeigenschaft" ist, wird er besser als "Systemeigenschaft" kategorisiert. Im Gegensatz zu echten Materialeigenschaften (wie Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Streckgrenze) hängt der COF für zwei beliebige Materialien von Systemvariablen wie Temperatur , Geschwindigkeit , Atmosphäre und auch von den heute allgemein als Alterungs- und Entalterungszeiten bezeichneten Zeiten ab; sowie auf geometrische Eigenschaften der Grenzfläche zwischen den Materialien, nämlich Oberflächenstruktur . Zum Beispiel wird ein Kupfer kann Stift gegen eine dicke Kupferplatte gleitenden eine COF, der von 0,6 bei niedrigeren Drehzahlen variiert (Metall gegen Metall - Gleiten) auf unter 0,2 bei hohen Drehzahlen , wenn die Kupferoberfläche durch Reibungswärme zu schmelzen beginnt. Die letztere Geschwindigkeit bestimmt den COF natürlich nicht eindeutig; Wird der Pin-Durchmesser so vergrößert, dass die Reibungswärme schnell abgebaut wird, sinkt die Temperatur, der Pin bleibt fest und der COF steigt auf den Wert eines „Low Speed“-Tests.

Ungefähre Reibungskoeffizienten

Materialien Statische Reibung, Kinetische/Gleitreibung,
Trocken und sauber Geschmiert Trocken und sauber Geschmiert
Aluminium Stahl 0,61 0,47
Aluminium Aluminium 1,05–1,35 0,3 1,4–1,5
Gold Gold 2.5
Platin Platin 1,2 0,25 3.0
Silber Silber 1,4 0,55 1,5
Aluminiumoxid-Keramik Siliziumnitrid-Keramik 0,004 (nass)
BAM (Keramiklegierung AlMgB 14 ) Titanborid (TiB 2 ) 0,04–0,05 0,02
Messing Stahl 0,35–0,51 0,19 0,44
Gusseisen Kupfer 1,05 0,29
Gusseisen Zink 0,85 0,21
Beton Gummi 1.0 0,30 (nass) 0,6–0,85 0,45–0,75 (nass)
Beton Holz 0,62
Kupfer Glas 0,68 0,53
Kupfer Stahl 0,53 0,36 0,18
Glas Glas 0,9–1,0 0,005–0,01 0,4 0,09–0,116
Menschliche Synovialflüssigkeit Menschlicher Knorpel 0,01 0,003
Eis Eis 0,02–0,09
Polyethylen Stahl 0,2 0,2
PTFE (Teflon) PTFE (Teflon) 0,04 0,04 0,04
Stahl Eis 0,03
Stahl PTFE (Teflon) 0,04−0,2 0,04 0,04
Stahl Stahl 0,74−0,80 0,005–0,23 0,42–0,62 0,029–0,19
Holz Metall 0,2–0,6 0,2 (nass) 0,49 0,075
Holz Holz 0,25–0,62 0,2 (nass) 0,32–0,48 0,067–0,167

Einige Materialien haben unter bestimmten Bedingungen sehr niedrige Reibungskoeffizienten. Ein Beispiel ist (hochgeordneter pyrolytischer) Graphit, der einen Reibungskoeffizienten unter 0,01 haben kann. Dieses extrem reibungsarme Regime wird Superschmierung genannt .

Statische Reibung

Wenn sich die Masse nicht bewegt, erfährt das Objekt Haftreibung. Die Reibung nimmt mit zunehmender Kraft zu, bis sich der Block bewegt. Nachdem sich der Block bewegt hat, erfährt er eine Gleitreibung, die geringer ist als die maximale Haftreibung.

Haftreibung ist Reibung zwischen zwei oder mehr festen Objekten, die sich nicht relativ zueinander bewegen. Haftreibung kann beispielsweise verhindern, dass ein Objekt eine geneigte Oberfläche hinunterrutscht. Der Haftreibungskoeffizient, typischerweise als μ s bezeichnet , ist normalerweise höher als der Gleitreibungskoeffizient. Es wird angenommen, dass Haftreibung als Ergebnis von Oberflächenrauheitsmerkmalen über mehrere Längenskalen an festen Oberflächen entsteht. Diese als Unebenheiten bekannten Merkmale sind bis hinab zu nanoskaligen Dimensionen vorhanden und führen zu einem echten Festkörper-Feststoff-Kontakt, der nur an einer begrenzten Anzahl von Punkten existiert, die nur einen Bruchteil der scheinbaren oder nominellen Kontaktfläche ausmachen. Die Linearität zwischen aufgebrachter Last und echter Kontaktfläche, die sich aus der Verformung der Unebenheit ergibt, führt zu der Linearität zwischen statischer Reibungskraft und Normalkraft, die für eine typische Amonton-Coulomb-Reibung gefunden wird.

Die Haftreibungskraft muss durch eine aufgebrachte Kraft überwunden werden, bevor sich ein Objekt bewegen kann. Die maximal mögliche Reibungskraft zwischen zwei Oberflächen vor Beginn des Gleitens ist das Produkt aus Haftreibungskoeffizient und Normalkraft: . Wenn kein Gleiten auftritt, kann die Reibungskraft einen beliebigen Wert von Null bis aufweisen . Jeder Kraft, die kleiner ist als der Versuch, eine Oberfläche über die andere zu schieben, wirkt eine Reibungskraft gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung entgegen. Jede Kraft, die größer ist als die Kraft der Haftreibung und verursacht ein Gleiten. Das sofortige Gleiten tritt ein, Haftreibung ist nicht mehr anwendbar – die Reibung zwischen den beiden Oberflächen wird dann Gleitreibung genannt. Eine scheinbare Haftreibung kann jedoch auch dann beobachtet werden, wenn die wahre Haftreibung Null ist.

Ein Beispiel für Haftreibung ist die Kraft, die verhindert, dass ein Autorad beim Rollen auf dem Boden durchrutscht. Auch wenn das Rad in Bewegung ist, ist die den Boden berührende Stelle des Reifens relativ zum Boden stationär, es handelt sich also eher um Haftreibung als um Gleitreibung.

Der Höchstwert der Haftreibung bei drohender Bewegung wird manchmal als Grenzreibung bezeichnet , obwohl dieser Begriff nicht allgemein verwendet wird.

Kinetische Reibung

Kinetische Reibung , auch Gleitreibung oder Gleitreibung genannt , tritt auf, wenn sich zwei Objekte relativ zueinander bewegen und aneinander reiben (wie ein Schlitten auf dem Boden). Der Gleitreibungskoeffizient wird typischerweise als μ k bezeichnet und ist normalerweise kleiner als der Haftreibungskoeffizient für die gleichen Materialien. Doch Richard Feynman Kommentare , dass „mit trockenen Metallen ist es sehr schwierig , einen Unterschied zu zeigen.“ Die Reibungskraft zwischen zwei Oberflächen nach Beginn des Gleitens ist das Produkt aus Gleitreibungskoeffizient und Normalkraft: . Dieser ist für die Coulomb-Dämpfung eines schwingenden oder vibrierenden Systems verantwortlich.

Neue Modelle beginnen zu zeigen, wie die Gleitreibung größer sein kann als die Haftreibung. Kinetische Reibung wird heute in vielen Fällen so verstanden, dass sie hauptsächlich durch chemische Bindung zwischen den Oberflächen und nicht durch ineinandergreifende Unebenheiten verursacht wird; in vielen anderen Fällen sind jedoch Rauheitseffekte dominant, beispielsweise bei der Reibung von Gummi auf Straße. Oberflächenrauheit und Kontaktfläche beeinflussen die Gleitreibung für Objekte im Mikro- und Nanobereich, bei denen Oberflächenkräfte die Trägheitskräfte dominieren.

Der Ursprung der kinetischen Reibung im Nanobereich kann durch Thermodynamik erklärt werden. Beim Gleiten bildet sich auf der Rückseite eines echten Gleitkontakts eine neue Oberfläche, und die vorhandene Oberfläche verschwindet vor ihm. Da alle Oberflächen die thermodynamische Oberflächenenergie beinhalten, muss Arbeit aufgewendet werden, um die neue Oberfläche zu erzeugen, und Energie wird als Wärme beim Entfernen der Oberfläche freigesetzt. Somit ist eine Kraft erforderlich, um die Rückseite des Kontakts zu bewegen, und Reibungswärme wird an der Vorderseite abgegeben.

Reibungswinkel θ , wenn der Block gerade zu gleiten beginnt.

Reibungswinkel

Für bestimmte Anwendungen ist es sinnvoller, die Haftreibung als den maximalen Winkel zu definieren, vor dem eines der Elemente zu gleiten beginnt. Dies wird Reibungswinkel oder Reibungswinkel genannt . Es ist definiert als:

wobei θ der Winkel zur Horizontalen und μ s der Haftreibungskoeffizient zwischen den Objekten ist. Diese Formel kann auch verwendet werden, um μ s aus empirischen Messungen des Reibungswinkels zu berechnen .

Reibung auf atomarer Ebene

Die Bestimmung der Kräfte, die erforderlich sind, um Atome aneinander vorbeizubewegen, ist eine Herausforderung beim Design von Nanomaschinen . 2008 gelang es Wissenschaftlern erstmals, ein einzelnes Atom über eine Oberfläche zu bewegen und die erforderlichen Kräfte zu messen. Unter Verwendung von Ultrahochvakuum und einer Temperatur von nahezu Null (5 K) wurde ein modifiziertes Rasterkraftmikroskop verwendet, um ein Kobaltatom und ein Kohlenmonoxidmolekül über Oberflächen von Kupfer und Platin zu ziehen .

Einschränkungen des Coulomb-Modells

Die Coulomb-Näherung folgt aus den Annahmen, dass: Oberflächen nur über einen kleinen Bruchteil ihrer Gesamtfläche in atomarem engem Kontakt stehen; dass diese Kontaktfläche proportional zur Normalkraft ist (bis zur Sättigung, die stattfindet, wenn die gesamte Fläche in atomarem Kontakt ist); und dass die Reibungskraft unabhängig von der Kontaktfläche proportional zur aufgebrachten Normalkraft ist. Die Coulomb-Approximation ist grundsätzlich ein empirisches Konstrukt. Es ist eine Faustregel, die das ungefähre Ergebnis einer extrem komplizierten physikalischen Interaktion beschreibt. Die Stärke der Näherung liegt in ihrer Einfachheit und Vielseitigkeit. Obwohl der Zusammenhang zwischen Normalkraft und Reibungskraft nicht exakt linear ist (und somit die Reibungskraft nicht völlig unabhängig von der Kontaktfläche der Oberflächen ist), ist die Coulomb-Näherung eine angemessene Darstellung der Reibung für die Analyse vieler physikalischer Systeme.

Wenn die Oberflächen verbunden sind, wird die Coulomb-Reibung eine sehr schlechte Näherung (z. B. ist Klebeband rutschfest, auch wenn keine Normalkraft oder eine negative Normalkraft vorhanden ist). In diesem Fall kann die Reibungskraft stark von der Kontaktfläche abhängen. Einige Dragracing- Reifen sind aus diesem Grund selbstklebend. Trotz der Komplexität der grundlegenden Physik der Reibung sind die Beziehungen jedoch genau genug, um in vielen Anwendungen nützlich zu sein.

"Negativer" Reibungskoeffizient

Ab 2012 hat eine einzige Studie das Potenzial für einen effektiv negativen Reibwert im Niedriglastbereich nachgewiesen , d. h. eine Verringerung der Normalkraft führt zu einer Erhöhung der Reibung. Dies widerspricht der Alltagserfahrung, in der eine Zunahme der Normalkraft zu einer Zunahme der Reibung führt. Dies wurde im Oktober 2012 in der Zeitschrift Nature berichtet und beinhaltete die Reibung, die ein Rasterkraftmikroskop-Stift erfährt, wenn er in Gegenwart von Graphen-adsorbiertem Sauerstoff über eine Graphenschicht gezogen wird.

Numerische Simulation des Coulomb-Modells

Obwohl es sich um ein vereinfachtes Reibungsmodell handelt, ist das Coulomb-Modell in vielen numerischen Simulationsanwendungen wie Mehrkörpersystemen und körnigem Material nützlich . Schon der einfachste Ausdruck fasst die grundlegenden Effekte des Haftens und Gleitens zusammen, die in vielen Anwendungsfällen erforderlich sind, obwohl spezielle Algorithmen entwickelt werden müssen, um mechanische Systeme mit Coulomb-Reibung und bilateralem oder einseitigem Kontakt effizient numerisch zu integrieren . Einige ziemlich nichtlineare Effekte , wie die sogenannten Painlevé-Paradoxien , können bei der Coulomb-Reibung auftreten.

Trockenreibung und Instabilitäten

Trockene Reibung kann in mechanischen Systemen, die ohne Reibung ein stabiles Verhalten zeigen, verschiedene Arten von Instabilitäten hervorrufen. Diese Instabilitäten können durch die Abnahme der Reibungskraft mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit, durch Materialausdehnung aufgrund der Wärmeentwicklung während der Reibung (die thermoelastischen Instabilitäten) oder durch rein dynamische Effekte des Gleitens zweier elastischer Materialien (die Adams –Martins-Instabilitäten). Letztere wurden ursprünglich 1995 von George G. Adams und João Arménio Correia Martins für glatte Oberflächen entdeckt und später in periodisch rauen Oberflächen gefunden. Insbesondere reibungsbedingte dynamische Instabilitäten werden als verantwortlich für Bremsenquietschen und das „Gesang“ einer Glasharfe angesehen , Phänomene, die Stick and Slip beinhalten, modelliert als ein Abfall des Reibungskoeffizienten mit der Geschwindigkeit.

Ein praktisch wichtiger Fall ist die Selbstschwingung der Saiten von Streichinstrumenten wie Geige , Cello , Drehleier , Erhu usw.

Es wurde ein Zusammenhang zwischen Trockenreibung und Flatterinstabilität in einem einfachen mechanischen System entdeckt. Sehen Sie sich den Film an, um weitere Informationen zu erhalten.

Reibungsinstabilitäten können zur Bildung neuer selbstorganisierter Muster (oder "Sekundärstrukturen") an der Gleitfläche führen, wie zum Beispiel in-situ gebildete Tribofilme, die zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß in sogenannten selbstschmierenden Materialien verwendet werden .

Flüssigkeitsreibung

Flüssigkeitsreibung tritt zwischen Flüssigkeitsschichten auf , die sich relativ zueinander bewegen. Dieser innere Fließwiderstand wird als Viskosität bezeichnet . Im Alltag wird die Viskosität einer Flüssigkeit als „Dicke“ bezeichnet. Somit ist Wasser "dünn" und hat eine niedrigere Viskosität, während Honig "dick" mit einer höheren Viskosität ist. Je weniger viskos die Flüssigkeit ist, desto leichter kann sie verformt oder bewegt werden.

Alle echten Flüssigkeiten (außer Supraflüssigkeiten ) bieten eine gewisse Scherfestigkeit und sind daher viskos. Für Lehr- und Erklärungszwecke ist es hilfreich, den Begriff einer nichtviskosen Flüssigkeit oder einer idealen Flüssigkeit zu verwenden, die keinen Scherwiderstand bietet und daher nicht viskos ist.

Geschmierte Reibung

Geschmierte Reibung ist ein Fall von Flüssigkeitsreibung, bei dem eine Flüssigkeit zwei feste Oberflächen trennt. Schmierung ist eine Technik, die verwendet wird, um den Verschleiß einer oder beider Oberflächen in unmittelbarer Nähe, die sich relativ zueinander bewegen, zu verringern, indem eine Substanz, die als Schmiermittel bezeichnet wird, zwischen die Oberflächen eingefügt wird.

In den meisten Fällen wird die aufgebrachte Last durch Druck getragen, der in der Flüssigkeit aufgrund des reibungsviskosen Widerstands gegen die Bewegung der Schmierflüssigkeit zwischen den Oberflächen erzeugt wird. Eine ausreichende Schmierung ermöglicht einen reibungslosen Dauerbetrieb der Ausrüstung mit nur geringem Verschleiß und ohne übermäßige Belastungen oder Fressen an den Lagern. Wenn die Schmierung versagt, können Metall oder andere Komponenten zerstörerisch aneinander reiben, was zu Hitze und möglicherweise zu Schäden oder Ausfällen führt.

Hautreibung

Die Hautreibung entsteht durch die Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit und der Körperhaut und steht in direktem Zusammenhang mit dem Bereich der Körperoberfläche, der mit der Flüssigkeit in Kontakt steht. Die Mantelreibung folgt der Widerstandsgleichung und steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

Hüllreibung wird durch viskosen Widerstand in der Grenzschicht um das Objekt verursacht. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Mantelreibung zu verringern: Die erste besteht darin, den beweglichen Körper so zu formen, dass ein reibungsloser Fluss möglich ist, wie bei einem Tragflügel. Die zweite Methode besteht darin, die Länge und den Querschnitt des sich bewegenden Objekts so weit wie möglich zu verringern.

Innere Reibung

Innere Reibung ist die Kraftwiderstandsbewegung zwischen den Elementen zu einem festen Material bilden , während es erfährt eine Verformung .

Die plastische Verformung in Festkörpern ist eine irreversible Änderung der inneren Molekülstruktur eines Objekts. Diese Änderung kann entweder auf eine (oder beides) ausgeübte Kraft oder eine Temperaturänderung zurückzuführen sein. Die Änderung der Form eines Objekts wird Dehnung genannt. Die verursachende Kraft wird als Stress bezeichnet .

Die elastische Verformung in Festkörpern ist eine reversible Änderung der inneren Molekülstruktur eines Objekts. Stress führt nicht unbedingt zu dauerhaften Veränderungen. Wenn eine Verformung auftritt, wirken innere Kräfte der aufgebrachten Kraft entgegen. Wenn die aufgebrachte Spannung nicht zu groß ist, können diese entgegengesetzten Kräfte der aufgebrachten Kraft vollständig widerstehen, sodass das Objekt einen neuen Gleichgewichtszustand einnimmt und in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn die Kraft entfernt wird. Dies wird als elastische Verformung oder Elastizität bezeichnet.

Strahlungsreibung

Als Folge von leichtem Druck sagte Einstein 1909 die Existenz von "Strahlungsreibung" voraus, die der Bewegung der Materie entgegenwirken würde. Er schrieb: „Strahlung wird Druck auf beide Seiten der Platte ausüben. Die auf beiden Seiten ausgeübten Druckkräfte sind bei ruhender Platte gleich. Befindet er sich jedoch in Bewegung, wird an der während der Bewegung vorausfahrenden Fläche (Vorderfläche) mehr Strahlung reflektiert als an der Rückfläche. Die auf die Vorderseite ausgeübte nach hinten wirkende Druckkraft ist somit größer als die auf die Rückseite wirkende Druckkraft. Als Resultierende der beiden Kräfte verbleibt also eine Kraft, die der Bewegung der Platte entgegenwirkt und die mit der Geschwindigkeit der Platte zunimmt. Wir werden dies hieraus resultierende Strahlungsreibung kurz nennen.“

Andere Arten von Reibung

Rollwiderstand

Rollwiderstand ist die Kraft, die dem Rollen eines Rads oder eines anderen kreisförmigen Objekts entlang einer Oberfläche entgegenwirkt, das durch Verformungen des Objekts oder der Oberfläche verursacht wird. Im Allgemeinen ist die Kraft des Rollwiderstands geringer als die, die mit der Gleitreibung verbunden ist. Typische Werte für den Rollwiderstandskoeffizienten sind 0,001. Eines der häufigsten Beispiele für den Rollwiderstand ist die Bewegung von Kraftfahrzeugreifen auf einer Straße , ein Vorgang, der Wärme und erzeugt Klang als Nebenprodukte.

Bremsreibung

Jedes mit einer Bremse ausgestattete Rad ist in der Lage, eine große Verzögerungskraft zu erzeugen, normalerweise um ein Fahrzeug oder eine rotierende Maschine zu verlangsamen und anzuhalten. Die Bremsreibung unterscheidet sich von der Rollreibung dadurch, dass der Reibungskoeffizient für die Rollreibung klein ist, während der Reibungskoeffizient für die Bremsreibung durch die Wahl der Materialien für die Bremsbeläge groß ausgelegt wird .

Triboelektrischer Effekt

Das Aneinanderreiben unterschiedlicher Materialien kann eine elektrostatische Aufladung verursachen , die gefährlich sein kann, wenn brennbare Gase oder Dämpfe vorhanden sind. Wenn sich die statische Aufladung entlädt, können Explosionen durch Entzündung des brennbaren Gemisches verursacht werden.

Riemenreibung

Die Riemenreibung ist eine physikalische Eigenschaft, die anhand der Kräfte beobachtet wird, die auf einen um eine Riemenscheibe gewickelten Riemen wirken, wenn an einem Ende gezogen wird. Die resultierende Spannung, die auf beide Riemenenden wirkt, kann durch die Riemenreibungsgleichung modelliert werden.

In der Praxis kann die durch die Riemenreibungsgleichung berechnete theoretische Spannung auf den Riemen oder das Seil mit der maximalen Spannung verglichen werden, die der Riemen tragen kann. Dies hilft einem Konstrukteur einer solchen Anlage zu wissen, wie oft der Riemen oder das Seil um die Riemenscheibe gewickelt werden muss, um ein Verrutschen zu verhindern. Bergsteiger und Segelcrews weisen bei der Erledigung grundlegender Aufgaben ein Standardwissen über die Riemenreibung auf.

Reduzierung der Reibung

Geräte

Geräte wie Räder, Kugellager , Rollenlager und Luftpolster oder andere Arten von Flüssigkeitslagern können die Gleitreibung in eine viel kleinere Art von Rollreibung umwandeln.

Viele thermoplastische Materialien wie Nylon , HDPE und PTFE werden häufig in Gleitlagern verwendet . Sie sind besonders nützlich, weil der Reibungskoeffizient mit steigender Nutzlast sinkt. Für eine verbesserte Verschleißfestigkeit werden normalerweise Sorten mit sehr hohem Molekulargewicht für schwere oder kritische Lager spezifiziert.

Schmierstoffe

Eine übliche Methode zur Reduzierung der Reibung ist die Verwendung eines Schmiermittels wie Öl, Wasser oder Fett, das zwischen die beiden Oberflächen gegeben wird, wodurch der Reibungskoeffizient oft drastisch verringert wird. Die Wissenschaft von Reibung und Schmierung wird Tribologie genannt . Bei der Schmierstofftechnologie werden Schmierstoffe mit der Anwendung der Wissenschaft vermischt, insbesondere für industrielle oder kommerzielle Zwecke.

Superschmierfähigkeit, ein kürzlich entdeckter Effekt, wurde bei Graphit beobachtet : Es handelt sich um die erhebliche Abnahme der Reibung zwischen zwei gleitenden Objekten, die sich dem Nullniveau nähert. Eine sehr kleine Menge an Reibungsenergie würde immer noch dissipiert.

Schmiermittel zur Überwindung der Reibung müssen nicht immer dünne, turbulente Flüssigkeiten oder pulverförmige Feststoffe wie Graphit und Talkum sein ; akustische Schmierung verwendet tatsächlich Schall als Schmiermittel.

Eine andere Möglichkeit, die Reibung zwischen zwei Teilen zu reduzieren, besteht darin, einem der Teile Schwingungen im Mikromaßstab zu überlagern. Dies kann eine sinusförmige Schwingung sein, wie sie beim ultraschallunterstützten Schneiden verwendet wird, oder ein Vibrationsgeräusch, das als Dither bekannt ist .

Reibungsenergie

Nach dem Energieerhaltungssatz wird keine Energie durch Reibung vernichtet, kann aber an das betreffende System verloren gehen. Energie wird aus anderen Formen in thermische Energie umgewandelt. Ein gleitender Hockeypuck kommt zur Ruhe, weil Reibung seine kinetische Energie in Wärme umwandelt, die die Wärmeenergie des Pucks und der Eisfläche erhöht. Da sich Wärme schnell verflüchtigt, schlossen viele frühe Philosophen, einschließlich Aristoteles , fälschlicherweise, dass sich bewegende Objekte ohne eine treibende Kraft Energie verlieren.

Wird ein Objekt entlang einer Fläche entlang einer Bahn C geschoben, wird die in Wärme umgewandelte Energie gemäß der Definition der Arbeit durch ein Linienintegral angegeben

wo

ist die Reibungskraft,
ist der Vektor, der durch Multiplizieren der Größe der Normalkraft mit einem Einheitsvektor erhalten wird, der gegen die Bewegung des Objekts zeigt,
ist der Gleitreibungskoeffizient, der innerhalb des Integrals liegt, da er von Ort zu Ort variieren kann (z. B. wenn sich das Material entlang der Bahn ändert),
ist die Position des Objekts.

Energieverlust eines Systems durch Reibung ist ein klassisches Beispiel für thermodynamische Irreversibilität .

Reibungsarbeit

In dem Referenzrahmen von der Schnittstelle zwischen zwei Oberflächen, tut Haftreibung keine Arbeit , da es nie Verschiebung zwischen den Oberflächen ist. Im gleichen Bezugssystem ist die Gleitreibung immer in die der Bewegung entgegengesetzte Richtung und verrichtet negative Arbeit. Reibung kann jedoch in bestimmten Bezugsrahmen positive Arbeit leisten . Dies kann man sehen, indem man eine schwere Kiste auf einen Teppich stellt und dann schnell am Teppich zieht. In diesem Fall gleitet die Schachtel relativ zum Teppich nach hinten, bewegt sich jedoch relativ zum Bezugsrahmen, in dem der Boden stationär ist, nach vorne. Somit beschleunigt die Gleitreibung zwischen Schachtel und Teppich die Schachtel in die gleiche Richtung, in die sich die Schachtel bewegt, und leistet positive Arbeit.

Die durch Reibung geleistete Arbeit kann zu Verformung, Verschleiß und Wärme führen, die die Kontaktoberflächeneigenschaften (sogar den Reibungskoeffizienten zwischen den Oberflächen) beeinflussen können. Dies kann wie beim Polieren von Vorteil sein . Die Reibungsarbeit wird verwendet, um Materialien zu mischen und zu verbinden, wie zum Beispiel beim Reibschweißen . Übermäßige Erosion oder Verschleiß der zusammenpassenden Gleitflächen tritt auf, wenn die Arbeit aufgrund von Reibungskräften auf ein nicht akzeptables Niveau ansteigt. Härtere Korrosionspartikel, die sich bei der Relativbewegung zwischen den Passflächen verfangen ( fretting ), verschlimmern den Verschleiß der Reibungskräfte. Da Oberflächen durch Reibung durch die Arbeit abgenutzt werden, können sich Passung und Oberflächenbeschaffenheit eines Objekts verschlechtern, bis es nicht mehr richtig funktioniert. Beispielsweise kann ein Festfressen oder ein Versagen von Lagern durch übermäßigen Verschleiß aufgrund von Reibungsarbeit verursacht werden.

Anwendungen

Reibung ist ein wichtiger Faktor in vielen Ingenieurdisziplinen .

Transport

  • Automobilbremsen sind von Natur aus auf Reibung angewiesen und verlangsamen ein Fahrzeug, indem sie seine kinetische Energie in Wärme umwandeln. Die sichere Ableitung dieser großen Wärmemenge ist übrigens eine technische Herausforderung bei der Auslegung von Bremssystemen. Scheibenbremsen beruhen auf der Reibung zwischen einer Scheibe und Bremsbelägen , die quer gegen die rotierende Scheibe gedrückt werden. Bei Trommelbremsen werden Bremsbacken oder Beläge nach außen gegen einen rotierenden Zylinder (Bremstrommel) gedrückt, um Reibung zu erzeugen. Da Bremsscheiben effizienter gekühlt werden können als Trommeln, haben Scheibenbremsen eine bessere Bremsleistung.
  • Schienenhaftung bezieht sich auf die Griffigkeit der Räder eines Zuges auf den Schienen, siehe Reibungskontaktmechanik .
  • Straßenrutschigkeit ist ein wichtiger Design- und Sicherheitsfaktor für Automobile
    • Spaltreibung ist ein besonders gefährlicher Zustand, der durch unterschiedliche Reibung auf beiden Seiten eines Autos entsteht.
    • Die Straßentextur beeinflusst das Zusammenspiel von Reifen und Fahrbahn .

Messung

  • Ein Tribometer ist ein Instrument, das die Reibung auf einer Oberfläche misst.
  • Ein Profilograph ist ein Gerät zur Messung der Oberflächenrauheit von Fahrbahnen.

Haushaltsnutzung

  • Reibung wird verwendet, um Streichhölzer zu erhitzen und zu entzünden (Reibung zwischen dem Kopf eines Streichholzes und der Reibfläche der Streichholzschachtel).
  • Klebepads werden verwendet, um das Abrutschen von Objekten von glatten Oberflächen zu verhindern, indem der Reibungskoeffizient zwischen Oberfläche und Objekt effektiv erhöht wird.

Siehe auch

Verweise

Externe Links