Reibung ist eine Bezeichung für den Widerstand, den Körper bei Bewegung erfahren. Sie kann an den Grenzflächen zwischen zwei Festkörpern auftreten, aber auch zwischen einem Festkörper und einen Fluid oder sogar innerhalb eines Fluids.
Reibung zwischen Festkörpern
Die Grenzflächen von Festkörpern sind nie hunderprozentig eben. Aufgrund dieser Unregelmäßigkeiten kommt es bei einer Bewegung von zwei Körpern gegeneinander dazu, dass sich diese sich immer wieder ineinander „verhaken“.
Die Kraft, die aufgebracht werden muss, um diese Verbindung zu lösen wird als Reibungskraft bezeichnet. Die Reibungskraft wirkt immer parallel zur Kontaktfläche der beiden Körper. Sie ist entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung orientiert. Der Betrag der Reibungskraft hängt von der Normalkraft ab, welche der Gewichtskraft des Körpers entgegenwirkt und den gleichen Betrag wie diese hat.Es gilt:
\begin{align} F_R = \mu \cdot F_N \end{align}
mit:
FR: Reibungskraft
μ: Reibungszahl
FN: Normalkraft
Die Reibungszahl ist ein Maß dafür, wie gut die Grenzflächen der Körper sich miteinander verbinden.
Es fällt auf, dass die Reibungskraft unabhängig von der Kontaktfläche der beiden Körper ist. Dies erscheint zunächst unlogisch, da bei größerer Kontaktfläche auch eine bessere Verbindung zu erwarten wäre. Geht man jedoch davon aus, dass zwei Körper gleich schwer sind, sich aber in der Größe der Kontaktfläche unterscheiden, wird klar, dass der Körper mit der größeren Kontaktfläche eine kleinere Normalkraft pro Fläche aufweist und damit auch eine geringere Reibungskraft pro Flächenelement.
Arten der Festkörperreibung
Bei Festkörpern gibt es im Wesentlichen drei Arten von Reibung. Dies sind:
Haftreibung
Diese Art der Reibung wirkt, solange ein Körper ruht. Um einen Körper in Bewegung zu versetzen, muss die Haftreibung überwunden werden.
Gleitreibung
Während ein Körper bewegt wird, wirkt die Gleitreibung. Die Reibungskraft der Gleitreibung ist immer geringer als die Reibungskraft der Haftreibung. Dies wird deutlich, wenn man sich vor Augen führt, dass es sehr viel Kraft kostet, einen schweren Gegenstand (z.B. Kiste) auf ebenem Boden in Bewegung zu versetzen, aber das Aufrechterhalten der Bewegung viel leichter fällt.
Rollreibung
Die Rollreibung tritt auf, wenn ein Körper mittels Rollen oder Rädern über eine Unterlage bewegt wird. Die Reibungskraft der Rollreibung ist nochmals deutlich kleiner als die der Gleitreibung, was den Nutzen von Rädern erklärt.
Lagerreibung
Lagerreibung tritt an den Kontaktstellen zwischen einer Welle und ihrem Lager auf. Es muss dabei grundsätzlich unterschieden werden zwischen Querlager (Radiallager) und Längslager (Axiallager).
Querlager
Bei einem Querlager wirkt die Lagerkraft F und damit auch die für die Reibung ursächliche Kraft radial zur WellendrehbewegungDer Lagerkraft wirkt die Normalkraft FN entgegen, sodass die Welle im Lager gehalten wird. Die Normalkraft ist praktisch genauso groß wie die Lagerkraft. Für die Berechnung der Reibung kann daher mit der Lagerkraft gerechnet werden.
Es gilt:
\begin{align} F_R = \mu \cdot F \end{align}
Da es sich bei den Bewegungen in einem Querlager um Drehbewegungen handelt, verursacht die Reibkraft in Abhängigkeit vom Radius der Welle ein Reibmoment:
\begin{align} M_R = F_R \cdot r = F \cdot \mu \cdot r \end{align}
Je schneller sich eine Welle im Lager dreht, umso höher ist die Reibleistung die aufgebracht werden muss, da die reibende Welle in der gleichen Zeit eine größere Reibfläche überstreicht. Entscheidend ist dabei die Umfangsgeschwindigkeit
Es gilt:
\begin{align} P_R = F_R \cdot v_{Umfang} \end{align}
oder mit $ v_{Umfang} = r \cdot \omega$
\begin{align} P_R = F_R \cdot r \cdot \omega = M_r \cdot \omega \end{align}
In Elektromotoren werden üblicherweise Querlager als Aufnahme für die Motorwelle eingesetzt.
Längslager
Bei einem Längslager wirkt die Lagerkraft axial zur Drehbewegung