Rollreibung


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Gleitreibung das Wichtige auf einem Blick

  • Wird ein Körper durch eine Kraft auf einem Untergrund zum Rollen gebracht, so tritt Rollreibung auf.

  • Die Rollreibung führt zur einer Rollreibungskraft \(F_{RR}\) die stets entgegen der Rollrichtung (Bewegungsrichtung) wirkt und das Rollen einschränkt.

  • Der Betrag der Rollreibungskraft berechnet sich über
    \(F_{RR}=\mu_{RR}\cdot F_N\), wobei \(\mu_{RR}\) der Rollreibungskoeffizient ist und \(F_N\) die Normalkraft ist.

Grundlagen

Sind zwei Körper in Kontakt zu einander, egal ob sie gleiten, rollen oder nur aufeinander liegen, dann entsteht Reibung. Unter dem Begriff Reibung fasst man verschiedene Kräfte zusammen, die dazu führen das sich die Körper nicht frei bewegen können. Der Ursprung der Reibung beruht in der klassischen Physik auf die Beschaffenheit der Kontaktflächen. Bei rauen Oberflächen sind größere Kräfte nötig um die beteiligten Körper zu bewegen. Bei glatten Flächen sind kleinere Kräfte ausreichend um eine Bewegung der Körper zu ermöglichen.

In diesem Beitrag wird es um die physikalische Behandlung der Rollreibung und die damit einhergehenden Reibungkräften. Doch bevor wir mit dem Thema beginnen, solltest du bei Bedarf die folgenden Themen wiederholen:

Die Normalkraft


In der oberen Abbildung ist ein Rad zu sehen, das auf einem Untergrund rollt. Im Zentrum des Rades liegt der Schwerpunkt, an diesem Punkt greifen zunächst zwei Kräfte an:

  • Die Gewichtskraft \(F_G\) wirkt auf das Rad und drückt dieses nach unten auf den Untergrund. Den Betrag der Gewichtskraft ermittelt man über

    \(F_G=m\cdot g\)

    Wobei \(m\) die Masse des Rads ist und \(g\) die Erdbeschleunigung \(g=9,81\frac{m}{s^2}\) ist.

  • Die Normalkraft \(F_N\) ist die Kraft mit der, der Untergrund senkrecht zur oberfläche auf das Rad wirkt. Die Normalkraft ist die Gegenkraft der Gewichtskraft, aus den Newtonschen Gesetzen wissen wir das jede Kraft eine Gegenkraft bewirkt. Handelt es sich beim Untergrund nicht um eine schiefe Ebene, so berechnet sich der Betrag der Normalkraft über:

    \(F_N=m\cdot g\)

    Bei einer schiefen Ebene berechnet sich die Normalkraft über:

    \(F_N=m\cdot g\cdot cos(\alpha)\)

    Dabei ist \(\alpha\) der Winkel zwischen der Ebene und dem Boden, mehr dazu gibt es im Beitrag zur schiefen Ebene.

Die Rollreibung tritt auf wenn, ein Köper auf einer Unterlage aufgrund einer Zugkraft zum Rollen gebracht wird. Die Rollreibung die dabei entsteht führt zu einer Rollreibungskraft \(F_{RR}\) welche die Bewegung behindert. Die Rollreibungskraft wirkt der Bewgungsrichtung entgegen und schränkt diese ein. Die Rollreibung entsteht dadurch das die Kontaktflächen unter einem Mikroskop betrachtet nicht vollkommen glatt sind, sondern unebenheiten aufweisen und rauh sind.

Rollreibungskraft

  • Die Rollreibungskraft \(F_{RR}\) wirkt stets entgegen der Zugkraft \(F_{Z}\).
  • Der Betrag der Rollreibungskraft ist abhängig von der Normalkraft \(F_{N}\). Je größer die Normalkraft ist desto größer ist auch die Rollreibungskraft.

  • Der Betrag der Rollreibungskraft ist von der Beschaffenheit der Kontaktflächen abhängig und von den Materialien der Oberflächen.

  • Die Rollreibungskraft ist von der Geschwindigkeit des Körpers und der Größe der Kontaktflächen unabhängig.

Rollreibungskoeffizient

Der Betrag der Rollreibungskraft \(F_{RR}\) ist proportional zum Betrag der Normalkraft \(F_N\), die Proportionalitätskonstante zwischen den zwei wird Rollreibungskoeffizient \(\mu_{RR}\) genannt. Der Rollreibungskoeffizient hängt von den beteiligten Materialien und deren Oberfläche ab.

Rollreibungskoeffizient

\(F_{RR}=\mu_{RR}\cdot F_N\)



Der Rollreibungskoeffizient ist eine Einheitslose größe, deren Wert für verschiedene Materialien findet man im Tafelwerk oder in entsprechenden Tabellen.