Reibung ist eine Kraft, die der Relativbewegung Widerstand leistet und an der Grenzfläche zwischen den Körpern, aber auch innerhalb der Körper, wie im Fall von Flüssigkeiten, auftritt. Das Konzept des Reibungskoeffizienten wurde erstmals von Leonardo da Vinci formuliert. Die Größe des Reibungskoeffizienten wird durch die Eigenschaften der Oberflächen, die Umgebung, die Oberflächenbeschaffenheit, das Vorhandensein des Schmiermittels usw. bestimmt.

Reibungsgesetze

Es gibt fünf Reibungsgesetze und diese sind:

• Die Reibung des bewegten Objekts ist proportional und senkrecht zur Normalkraft.

• Die Reibung, die das Objekt erfährt, hängt von der Beschaffenheit der Oberfläche ab, mit der es in Kontakt steht.

• Reibung ist unabhängig von der Kontaktfläche, solange es eine Kontaktfläche gibt.

• Die Bewegungsreibung ist unabhängig von der Geschwindigkeit.

• Der Haftreibungskoeffizient ist größer als der Gleitreibungskoeffizient.

Wenn wir irgendein Objekt sehen, können wir die glatte Oberfläche sehen, aber wenn wir dasselbe Objekt unter dem Mikroskop betrachten, können wir erkennen, dass selbst das glatt erscheinende Objekt raue Kanten hat. Durch das Mikroskop sind winzige Hügel und Rillen zu erkennen, die als Unregelmäßigkeiten der Oberfläche bezeichnet werden. Wenn also ein Objekt über das andere bewegt wird, verschränken sich diese Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche und es entsteht Reibung. Je rauer es ist, desto mehr Unregelmäßigkeiten gibt es und desto größer wird die Kraft sein, die aufgebracht wird.

Statische Reibung

Es gibt mehrere Theorien zu den Ursachen der Haftreibung, und wie die meisten reibungsbezogenen Konzepte erweist sich jede davon unter bestimmten Bedingungen als gültig, versagt jedoch unter anderen Umständen. Für reale Anwendungen (insbesondere im Zusammenhang mit Industriemaschinen und -bewegungen). Die beiden am weitesten verbreiteten Theorien zur Haftreibung haben mit der mikroskopischen Rauheit von Oberflächen zu tun.

Unabhängig davon, wie perfekt eine Oberfläche bearbeitet, bearbeitet und gereinigt ist, wird sie unweigerlich Unebenheiten aufweisen – im Wesentlichen Rauheit, bestehend aus Gipfeln und Tälern, ähnlich einer Bergkette. (Technisch gesehen sind die Spitzen die Unebenheiten.) Wenn sich zwei Oberflächen berühren, kann es so aussehen, als hätten sie eine große, genau definierte Kontaktfläche, aber in Wirklichkeit tritt der Kontakt nur an bestimmten Stellen auf – das heißt dort, wo die Unebenheiten auftreten beide Oberflächen interferieren.

Die Summe dieser kleinen Kontaktflächen zwischen den Unebenheiten wird als tatsächliche oder effektive Kontaktfläche bezeichnet. Da diese einzelnen Kontaktbereiche sehr klein sind, ist der Druck (Druck = Kraft ÷ Fläche) zwischen den Oberflächen an diesen Stellen sehr hoch. Dieser extreme Druck ermöglicht die Bildung einer Haftung zwischen den Oberflächen durch einen Prozess, der als Kaltschweißen bezeichnet wird und auf molekularer Ebene stattfindet. Bevor sich die Oberflächen relativ zueinander bewegen können, müssen die Bindungen, die diese Adhäsion bewirken, gelöst werden.

Darüber hinaus führt die Rauheit der Oberflächen dazu, dass sich die Unebenheiten der einen Oberfläche an manchen Stellen in den Tälern der anderen Oberfläche festsetzen – mit anderen Worten, die Oberflächen werden ineinandergreifen.

Diese ineinandergreifenden Bereiche müssen gebrochen oder plastisch verformt werden, bevor sich die Oberflächen bewegen können. Mit anderen Worten: Es muss Abrieb auftreten. Daher wird Haftreibung in den meisten Anwendungen sowohl durch Adhäsion als auch durch Abrieb der Kontaktflächen verursacht.

Gesetze der statischen Reibung

Es gibt zwei Gesetze der Haftreibung:

1. Erstes Gesetz: Die maximale Haftreibungskraft ist nicht von der Kontaktfläche abhängig.
2. Zweites Gesetz: Die maximale Haftreibungskraft ist mit der Normalkraft vergleichbar, d. h. wenn die Normalkraft zunimmt, erhöht sich auch die maximale äußere Kraft, die das Objekt ertragen kann, ohne sich zu bewegen.

Herleitung der Haftreibungsformel

Betrachten wir einen Block mit einem Gewicht von mg, der auf einer horizontalen Fläche liegt, wie in der Abbildung gezeigt. Wenn ein Körper gegen eine Oberfläche drückt, verformt sich die Oberfläche, auch wenn sie starr erscheint. Die verformte Oberfläche drückt den Körper mit einer Normalkraft R, die senkrecht zur Oberfläche steht. Dies wird als normale Reaktionskraft bezeichnet. Das heißt, es gleicht mg aus

R = mg

Betrachten wir nun, dass auf den Block eine Kraft P ausgeübt wird. Offensichtlich bleibt der Körper in Ruhe, da eine andere Kraft F in horizontaler Richtung ins Spiel kommt und der ausgeübten Kraft P entgegenwirkt, was zu einer Nettokraft von Null auf den Körper führt. Diese Kraft F, die entlang der Oberfläche des Körpers in Kontakt mit der Tischoberfläche wirkt, wird Reibungskraft genannt.

Solange sich der Körper also nicht bewegt, ist F = P. Das heißt, wenn wir P erhöhen, nimmt auch die Reibung F zu und bleibt immer gleich P.

Diese Reibungskraft, die bis zum Beginn der eigentlichen Bewegung wirkt, wird als Haftreibung bezeichnet.

Statischer Reibungskoeffizient

Statische Reibung ist die Reibung, die auftritt, wenn ein Gegenstand auf einer Oberfläche platziert wird. Und kinetische Reibung entsteht durch die Bewegung eines Objekts auf einer Oberfläche. Reibung wird gut durch den Reibungskoeffizienten charakterisiert und als Verhältnis zwischen Reibungskraft und Normalkraft erklärt. Dies hilft dem Objekt, auf einer Oberfläche zu liegen. Der Haftreibungskoeffizient ist eine skalare Größe und wird mit μ bezeichnet_S.

Die Formel für den Haftreibungskoeffizienten lautet:

mu_{s} = frac{F}{N}

Wo

M _S ​ = Haftreibungskoeffizient

F = statische Reibungskraft

N = Normalkraft

Kinetische Reibung

Unter kinetischer Reibung versteht man eine Kraft, die zwischen sich bewegenden Oberflächen wirkt. Ein Körper, der sich auf der Oberfläche bewegt, erfährt eine Kraft in der entgegengesetzten Richtung seiner Bewegung. Die Größe der Kraft hängt vom kinetischen Reibungskoeffizienten zwischen den beiden Materialien ab.

Reibung lässt sich leicht als die Kraft definieren, die ein gleitendes Objekt zurückhält. Die kinetische Reibung ist ein Teil von allem und stört die Bewegung von zwei oder mehr Objekten. Die Kraft wirkt in die entgegengesetzte Richtung zu der Richtung, in die ein Objekt gleiten möchte.

Wenn ein Auto anhalten muss, betätigen wir die Bremse und genau da kommt die Reibung ins Spiel. Wenn man beim Gehen plötzlich anhalten möchte, ist das wiederum auf die Reibung zurückzuführen. Aber wenn wir mitten in einer Pfütze anhalten müssen, wird es schwieriger, da die Reibung geringer ist und einem nicht so viel helfen kann.

Durch die Überwindung der Haftreibung zwischen zwei Oberflächen werden im Wesentlichen sowohl die molekularen Hindernisse (Kaltverschweißung zwischen den Unebenheiten) als auch bis zu einem gewissen Grad die mechanischen Hindernisse (Interferenz zwischen den Unebenheiten und Tälern der Oberflächen) für die Bewegung beseitigt. Sobald die Bewegung eingeleitet wird, tritt weiterhin ein gewisser Abrieb auf, jedoch auf einem viel geringeren Niveau als bei Haftreibung, und die relative Geschwindigkeit zwischen den Oberflächen bietet nicht genügend Zeit für das Auftreten zusätzlicher Kaltverschweißungen (außer im Fall extrem niedriger Geschwindigkeit).

Da der größte Teil der Adhäsion und des Abriebs überwunden wird, um eine Bewegung auszulösen, verringert sich der Bewegungswiderstand zwischen den Oberflächen, und die Oberflächen bewegen sich nun unter dem Einfluss der kinetischen Reibung, die viel geringer ist als die Haftreibung.

Gesetze der kinetischen Reibung

Es gibt vier Gesetze der kinetischen Reibung:

1. Erstes Gesetz: Die Kraft der kinetischen Reibung (F_k) ist direkt proportional zur normalen Reaktion (N) zwischen zwei in Kontakt stehenden Oberflächen. Wo, M _k ​ = Konstante, die als kinetischer Reibungskoeffizient bezeichnet wird.
2. Zweites Gesetz: Die Kraft der kinetischen Reibung ist unabhängig von der Form und der scheinbaren Fläche der in Kontakt stehenden Oberflächen.
3. Drittes Gesetz: Dies hängt von der Art und dem Material der Kontaktoberfläche ab.
4. Viertes Gesetz: Sie ist unabhängig von der Geschwindigkeit des Kontaktobjekts, sofern die Relativgeschwindigkeit zwischen Objekt und Oberfläche nicht zu groß ist.

Formel der kinetischen Reibung

Der kinetische Reibungskoeffizient wird mit dem griechischen Buchstaben mu ( M ), mit einem tiefgestellten k. Die Kraft der kinetischen Reibung beträgt M _k mal die Normalkraft auf einen Körper. Sie wird in Newton (N) ausgedrückt.

Die Gleichung der kinetischen Reibung kann wie folgt geschrieben werden:

Kraft der kinetischen Reibung = (Koeffizient der kinetischen Reibung)(Normalkraft)

F _k = m _k H

Wo,

F _k = Kraft der kinetischen Reibung

M _k Reibungskoeffizient

h = Normalkraft (griechischer Buchstabe eta)

Herleitung der Formel der kinetischen Reibung

Betrachten wir einen Gewichtsblock mg auf einer horizontalen Fläche liegen, wie in der Abbildung gezeigt. Wenn ein Körper gegen eine Oberfläche drückt, verformt sich die Oberfläche, auch wenn sie starr erscheint. Die verformte Oberfläche drückt mit Normalkraft auf den Körper R das ist senkrecht zur Oberfläche. Dies wird als normale Reaktionskraft bezeichnet. Das heißt, es gleicht mg aus R = mg .

Was ist Uri?

Betrachten wir das nun als eine Kraft P wird wie gezeigt auf den Block angewendet. Offensichtlich bleibt der Körper aufgrund einer anderen Kraft in Ruhe F kommt in horizontaler Richtung zum Tragen und wirkt der wirkenden Kraft entgegen P Dies führt zu einer Nettokraft von Null auf den Körper. Diese Kraft F, die entlang der Oberfläche des Körpers in Kontakt mit der Tischoberfläche wirkt, wird aufgerufen Reibungskraft .

Solange sich der Körper also nicht bewegt F = P . Das heißt, wenn wir P erhöhen, nimmt auch die Reibung F zu und bleibt immer gleich P.

Wenn wir die ausgeübte Kraft leicht über die Grenzreibung hinaus erhöhen, beginnt die eigentliche Bewegung. Das bedeutet nicht, dass die Reibung verschwunden ist. Es bedeutet lediglich, dass die Kraft die Grenzreibung überwunden hat. Diese Reibungskraft wird in diesem Stadium als kinetische Reibung oder dynamische Reibung bezeichnet.

Die kinetische Reibung oder dynamische Reibung ist die Gegenkraft, die ins Spiel kommt, wenn sich ein Körper tatsächlich über die Oberfläche eines anderen Körpers bewegt.

Anwendung von statischer und kinetischer Reibung

Anwendungen der statischen Reibung

In den folgenden Punkten finden Sie einige Beispiele aus der Praxis für Haftreibung:

• Papiere auf einer Tischplatte
• Ein Handtuch, das an einem Gestell hängt
• Ein Lesezeichen in einem Buch
• Ein auf einem Hügel geparktes Auto

Anwendungen der kinetischen Reibung

In den folgenden Punkten finden Sie einige Beispiele aus der Praxis für Gleitreibung.

• Reibung spielt auch bei alltäglichen Vorgängen eine große Rolle, beispielsweise beim Reiben zweier Gegenstände. Die dabei entstehende Bewegung wandelt sich in Wärme um und kann in manchen Fällen zu Bränden führen.
• Es ist auch für den Verschleiß verantwortlich und deshalb benötigen wir Öl zur Schmierung von Maschinenteilen, da es die Reibung verringert.
• Wenn zwei Gegenstände aneinander reiben, wird die Reibungskraft in Wärmeenergie umgewandelt, was in einigen Fällen zu einem Brand führen kann
• Da die Gleitreibung für den Verschleiß von Maschinenteilen verantwortlich ist, ist es wichtig, die Maschinenteile mit Öl zu schmieren.

Unterschied zwischen statischer und kinetischer Reibung

Beispielprobleme basierend auf statischer und kinetischer Reibung

Frage 1: Ein Mann schiebt einen großen Karton mit einer Masse von 75,0 kg über den Boden.

Lösung:

Der Reibungskoeffizient beträgt μ_k= 0,520​

Der Arbeiter übt eine Kraft von 400,0 N nach vorne aus.

Wie groß ist die Reibungskraft?

Antwort: Auf einer ebenen Fläche kann die Normalkraft eines Objekts mit der Formel ermittelt werden

h = mg

Durch Einsetzen des Werts von η in die Gleichung F_k= m_k​ η , wir bekommen

F_k= (0,520) (75,0 kg) (9,80 m/s²) = 382,2N

Frage 2: Berechnen Sie in der obigen Frage die Nettokraft, die den Kasten bewegt?

Lösung:

Die auf einen Körper wirkende Nettokraft ist die Summe aller auf den Körper wirkenden Kräfte.

In diesem Fall sind die auf den Körper wirkenden Kräfte die vom Menschen ausgeübte Kraft und die in entgegengesetzter Richtung wirkende Gleitreibung.

Wenn die Vorwärtsbewegung als positiv betrachtet wird, wird die Nettokraft wie folgt berechnet:

F_Netz= F_Arbeiter- F_k

Wenn wir die Werte in die obige Gleichung einsetzen, erhalten wir

F_Netz= 400 N – 382,2 N = 17,8 N

Frage 3: Warum erfährt die Rollbewegung Reibung?

Antwort:

Theoretisch hat ein Ball Punktkontakt mit der Oberfläche.

Doch in Wirklichkeit verformt sich der Ball (bzw. die Oberfläche) durch die Belastung und die Kontaktfläche wird elliptisch.

Theoretisch sollten Rollflächen, wie sie in den meisten Rotations- und Linearlagern (mit Ausnahme von Gleitlagern) zu finden sind, keinen Reibungskräften ausgesetzt sein.

In realen Anwendungen verursachen jedoch drei Faktoren Reibung in Rolloberflächen:

1. Mikroschlupf zwischen den Oberflächen (die Oberflächen gleiten relativ zueinander)

2. Inelastische Eigenschaften (d. h. Verformung) der Materialien

3. Rauheit der Oberflächen

Frage 4: Ein Gegenstand mit einer Masse von 10 kg wird auf eine glatte Oberfläche gelegt. Die Haftreibung zwischen diesen beiden Oberflächen wird mit 15 N angegeben. Finden Sie den Haftreibungskoeffizienten?

Lösung:

Gegeben

m = 10 kg

F = 15 N

M_S= ?

Wir wissen das,

Normalkraft, N = mg

Also, N = 10× 9,81 = 98,1 N

Die Formel für den Haftreibungskoeffizienten lautet:

M_S= 15/N

Binärbaum in Java

M_S= 15/98,1

M _S = 0,153

Frage 5: Die Normalkraft und die Haftreibungskraft eines Objekts betragen 50 N bzw. 80 N. Finden Sie den Haftreibungskoeffizienten?

Lösung:

Gegeben

N = 50 N

F = 80 N und μ_S= ?

Die Formel für den Haftreibungskoeffizienten lautet

M_S= F/N

M_S= 80/50

M_S= 1,6

Frage 6: Welcher Zusammenhang besteht zwischen statischer und kinetischer Reibung?

Antwort:

Die Kraft der statischen Reibung hält ein stationäres Objekt in Ruhe. Sobald die Kraft der statischen Reibung überwunden ist, ist es die Kraft der kinetischen Reibung, die ein sich bewegendes Objekt verlangsamt.

Frage 7: Ein Kühlschrank wiegt 1619 N und der Haftreibungskoeffizient beträgt 0,50. Mit welcher Kraft lässt sich der Kühlschrank am wenigsten bewegen?

Lösung:

Gegebene Daten:

Gewicht des Kühlschranks, B=1619 N

W=1619 N

Haftreibungskoeffizient, μ_S= 0,50

Die zum Bewegen des Kühlschranks erforderliche Mindestkraft kann wie folgt angegeben werden:

F = m_SIN

F = 0,50 × 1619

F = 809,50 N.