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Haftreibung


Haftreibung oder Ruhereibung (auch Haft(reib(ungs))kraft) ist eine Kraft, die das Gleiten sich berührender Körper verhindert. Der Zustand ausreichender Haftreibung heißt Haften und schließt ggf. Kriechen ein. Haftung wird in diesem Zusammenhang etwa so benutzt wie Bindung in der Chemie. Bei der Haftreibung handelt es sich um die Verbindung von Körpern mittels Kraftschlusses. Dagegen wird zum Beispiel beim Kleben ein Stoffschluss (Verbindung mehrerer Körpern zu einem Körper bestehend aus mehreren Stoffen) hergestellt. Weiterhin gibt es den Formschluss, der durch die Verhakung von Unebenheiten der Oberfläche (z. B. Passfedern im Maschinenbau) entsteht.

Kräfte bei Haftung

Voraussetzung für das Auftreten von Haftreibung ist, dass sich zwei Körper berühren und die Kontaktfläche durch eine äußere Kraft [math]\vec F[/math] auf Scherung belastet wird. Es baut sich eine entgegengesetzte, betragsgleiche Kraft [math]\vec F_\mathrm H = -\vec F[/math] auf, die eine Relativbewegung der beiden Oberflächen verhindert (siehe Abbildung, Bild 1). Steigt die Scherkraft [math]\vec F[/math], so wächst zunächst auch die Kraft [math]\vec F_\mathrm H[/math] (siehe Abbildung, Bild 2). Dies geschieht jedoch nur bis zu einem Grenzwert, [math]\vec F_\mathrm H ^\text{krit.}[/math]. Überschreitet die Scherkraft diese Haftreibungsgrenze, so wird sie nicht mehr vollständig durch die Haftkraft kompensiert. Es bleibt eine resultierende Kraft, die zu einer Beschleunigung des Körpers führt (siehe Abbildung, Bild 3). Ist der Körper in Bewegung, so wirkt keine Haftreibung mehr. Die Kraft, die beim Gleiten der Bewegung entgegenwirkt, heißt Gleitreibung [math]\vec F_\mathrm R[/math] und ist im Allgemeinen geringer als [math]\vec F_\mathrm H ^\text{krit.}[/math] (siehe Abbildung, Bild 4). Der schnelle Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung kann Schwingungen anregen (quietschende Bremsen) und ist für Erdbeben verantwortlich; siehe Stick-Slip-Effekt.

Berechnung der Haftreibung

Da die Haftreibung stark von Materialeigenschaften und Oberflächenbeschaffenheit abhängt kann sie nur in grober Näherung durch einfache physikalische Gesetzmäßigkeiten beschrieben werden. Danach ist die maximale Haftreibung [math]F_\mathrm H ^\text{krit.}[/math] proportional zu der Normalkraft [math]F_\mathrm N[/math] und unabhängig davon, wie groß die Kontaktfläche [math]A[/math] ist. Die Normalkraft ist die Kraft, die senkrecht zur Kontaktfläche, der Anpresskraft (in nebenstehender Abbildung beispielsweise die Gewichtskraft [math]F_\mathrm G[/math]) entgegenwirkt. Somit gilt:

[math]\left|\vec F_\mathrm H ^\text{krit.}\right|=\mu_\mathrm H \cdot \left|\vec F_\mathrm N\right|[/math]

Die Proportionalitätskonstante [math]\mu_\mathrm H[/math] wird Haftreibungskoeffizient[1] oder Haftreibungszahl[2] genannt, siehe im Artikel Reibungskoeffizient für tabellierte Werte und weitere Details. Bei zunehmendem Anpressdruck steigt die übertragbare Scherspannung nur bis zur Fließgrenze an.

Unterschied zu anderen Formen von Reibung

Unter Reibung wird üblicherweise ein dissipativer Prozess verstanden, also ein „energiezehrender“ Prozess, bei dem die (kinetische) Energie unter Zunahme der Entropie in Wärme umgewandelt wird. Im Gegensatz zur Roll- und Gleitreibung ist dies bei der Haftreibung im Allgemeinen nicht der Fall, da eine Kraft, die nicht zur Bewegung des Körpers führt, keine Arbeit verrichtet. Aus diesem Grund wird die Bezeichnung als Reibung und die Klassifikation als solche von Physikdidaktikern stark kritisiert.

Literatur

Einzelnachweise

  1. Demtröder: Experimentalphysik 1. S. 130 (google.de ).
  2. Norbert Jost: Reibung und Verschleiß - eine kurze werkstoffkundliche Einführung. S. 6 (google.de ).

Kategorien: Tribologie

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