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Reibung

Reibungskräfte (Friktionskräfte) treten auf, beispielsweise wenn sich feste Körper mit Berührung ihrer Oberflächen gegeneinander bewegen oder wenn ein fester Körper durch Luft oder Wasser gezogen wird. Ebenfalls tritt Reibung auf, wenn Gase oder Flüssigkeit durch Rohrleitungen bewegt werden. Reibungskräfte hemmen die makroskopische Bewegung von Körpern, wobei mechanische Energie in Wärme umgewandelt wird. Es handelt sich um ein Beispiel von Dissipation.

Der Teil von Wissenschaft und Technik, der sich mit Reibungsphänomenen beschäftigt, wird als Tribologie bezeichnet.

Verschiedene Arten von Reibung

Man unterscheidet je nach Situation unterschiedliche Arten von Reibung, beispielsweise die folgenden:

• Festkörperreibung (Coulombsche Reibung) tritt auf, wenn feste Körper direkt aufeinander reiben.
• Von Flüssigkeitsreibung spricht man, wenn die Energieverluste innerhalb einer Flüssigkeit auftreten, z. B. eines Schmierölfilms.
• Auch bei mit Öl oder Fett geschmierten Lagern kann vor allem bei geringen Drehzahlen eine Mischreibung auftreten, d. h. eine Verbindung von Festkörperreibung (durch den Kontakt der festen Teile) und Flüssigkeitsreibung. Bei höheren Drehzahlen verschwindet dann der Anteil der Festkörperreibung, jedoch wird die Flüssigkeitsreibung dafür stärker.
• Haftschichtenreibung tritt auf, wenn zwischen festen Reibkörpern eine Festschmierstoffschicht liegt.
• Haftreibung bezeichnet Reibungskräfte, die so lange auftreten, wie noch keine relative Bewegung zwischen Reibkörpern auftritt. Um beispielsweise einen Schlitten in Bewegung zu setzen, muss zunächst die höhere Haftreibung überwunden werden, während bei bereits bestehender Bewegung die geringere Gleitreibung auftritt.

Energieverluste durch Reibung

Im Zusammenhang mit Energie sind Reibungsprozesse oft unerwünscht, da sie eine hochwertige Energieform (reine Exergie) in eine niederwertigere (weniger nutzbare) Energieform umwandeln. Je stärker die Reibungskräfte z. B. bei einem bewegten Fahrzeug sind, desto mehr Antriebsenergie muss der Motor ständig zuführen, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu halten. Selbst wo die entstehende Reibungswärme noch genutzt werden kann, äußert sich die Umwandlung hochwertiger mechanische Energie in Wärme am Ende meist in einem insgesamt erhöhten Energieverbrauch.

Minimierung von Reibungskräften

Man versucht aus den genannten Gründen Reibungskräfte möglichst schwach zu machen. Hierfür verwendet man beispielsweise Schmiermittel (etwa Schmieröl oder Schmierfett), die die Reibung in Motoren, Getrieben und Lagern durch Bildung eines dünnen gleitfähigen Films reduzieren. Das Schmiermittel soll eine ausreichend hohe Viskosität (Zähflüssigkeit) aufweisen, um einen zusammenhängenden Schmierfilm aufbauen zu können; jedoch soll die Viskosität auch nicht zu hoch sein, dass die Flüssigkeitsreibung allzu stark wird.

Bei Verbrennungsmotoren besteht ein Problem darin, dass die Viskosität von Schmieröl mit steigender Temperatur stark abnimmt und deswegen optimale Verhältnisse nur in einem kleinen Temperaturbereich möglich sind; insbesondere ist die Viskosität des Öl direkt nach einem Kaltstart wesentlich höher als nötig, was einer der Gründe für den dann erhöhten Kraftstoffverbrauch ist. (Bereits bei einer Öltemperatur von 20 °C können die Reibungsverluste im Motor doppelt so hoch ausfallen wie bei einer Betriebstemperatur von 90 °C.) Immerhin weisen moderne Schmieröle (v. a. gewisse synthetische Öle) eine verminderte Temperaturabhängigkeit der Viskosität auf, was dieses Problem vermindert.

Der Luftwiderstand von Fahrzeugen, d. h. die Reibung an der Außenluft bei bewegten Fahrzeugen, kann durch Minimierung der Querschnittsfläche und außerdem durch die Optimierung des Luftwiderstandsbeiwerts (c_W-Werts) verringert werden. Letzterer Wert hängt von der geometrischen Form der Außenhülle des Fahrzeugs ab.

Auf ähnliche Weise wird die Reibung bei der Fahrt eines Schiffs kleiner, wenn seine Wasserverdrängung (bestimmt durch seine Gesamtmasse) minimiert und die Form des Schiffrumpfs optimiert wird.

Abhängigkeit von der Geschwindigkeit

Je nach den Bedingungen kann die Stärke der Reibung mehr oder weniger von der Geschwindigkeit einer Bewegung abhängen:

• Die Reibungskraft aufgrund der Rollreibung eines Autos (an der Kontaktfläche zwischen Reifen und Straße und auch in Lagern) hängt kaum von der Geschwindigkeit ab; siehe den Artikel über Rollwiderstand. Dies bedeutet, dass dieser Beitrag zum Kraftstoffverbrauch pro gefahrenen Kilometer von der Geschwindigkeit praktisch unabhängig ist. Dieser Beitrag ist proportional zum Fahrzeuggewicht, und bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten (z. B. 30 km/h) ist dies der größte Beitrag zur gesamten Reibung. Er kann zunehmen, wenn der Luftdruck in den Reifen zu gering ist.
• Ganz anders sind die Verhältnisse bei der Luftreibung. Bei den typischen Geschwindigkeiten eines Fahrzeugs werden turbulente Luftströmungen erzeugt, und in diesem Fall steigt die Reibungskraft in etwa proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die Energieverluste pro gefahrenem Kilometer bei Verdopplung der Geschwindigkeit auf das Vierfache zunehmen. (Der Kraftstoffverbrauch steigt allerdings etwas weniger schnell, da bei höherer Leistung oft der Wirkungsgrad des Motors zunimmt.) Bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h ist die Reibung durch den Luftwiderstand klar dominierend.
• Zwischen den oben genannten Fällen liegt die Reibung bei langsamen Bewegungen, wo laminare (nicht turbulente) Strömungen auftreten. Hier ist die Reibungskraft proportional zur Geschwindigkeit. Diese Situation kann beispielsweise bei langsamer Fahrt eines Schiffs vorliegen.

Der Artikel über den Fahrwiderstand eines Fahrzeugs enthält weitere Details und ein Zahlenbeispiel für ein Auto.

Gezielter Einsatz von Reibung

In manchen Fällen wird Reibung gezielt eingesetzt, beispielsweise in den Bremsen von Fahrzeugen. Nachteilig ist hierbei trotzdem, dass die ursprünglich von einem Motor gelieferte Bewegungsenergie in meist nutzlose Wärme umgewandelt wird, die sich sogar störend auswirken kann (beispielsweise durch die Überhitzung von Bremsen). Von daher sind andere Methoden des Bremsens ohne Verwendung von Reibung vorzuziehen. Dies geschieht im Rahmen der Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation).

Siehe auch: Luftwiderstand, Rollwiderstand, Fahrwiderstand, Dissipation, Kraft, Rekuperation