Reibung

Die Auswirkungen von Reibung sind bei alltäglichen Aktivitäten leicht zu beobachten, und doch können die physikalischen Mechanismen, die die Reibung steuern, komplex sein.

Reibung ist eine Kraft, die der Bewegung eines Objekts entgegenwirkt, wenn es mit einer Oberfläche in Kontakt kommt. Auf mikroskopischer Ebene wird sie durch die Oberflächenrauheit der Materialien, die sich berühren, und intermolekulare Wechselwirkungen verursacht. Aber man kann diese Kraft überwinden, indem man eine äußere Kraft ausübt, die gleich groß ist.

Das Ziel dieses Videos ist es, zu demonstrieren, wie die Reibung in einer Laborumgebung sowohl für horizontal als auch in einer schiefen Ebene nach unten gleitende Objekte gemessen werden kann.

Bevor wir in das Protokoll eintauchen, wollen wir uns die Konzepte hinter der Reibungskraft noch einmal ansehen. Zunächst müssen Sie wissen, dass es zwei Arten von Reibungen gibt - kinetische Reibung und Haftreibung.

Um die kinetische Reibung zu verstehen, stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem Gummischlauch, der über ein unendliches horizontales Eisfeld gleitet.

Obwohl Eis als glatte Oberfläche angesehen werden kann, gibt es auf mikroskopischer Ebene komplexe Wechselwirkungen zwischen den beiden Oberflächen, die Reibung verursachen. Diese Wechselwirkungen hängen von der Oberflächenrauheit und den anziehenden intermolekularen Kräften ab.

Die Größe dieser kinetischen Reibungskraft ist gleich dem Produkt des kinetischen Reibungskoeffizienten, oder ? K, die von der Material-Oberflächen-Kombination abhängt, und der Normalkraft oder Fnorm, die das Objekt und die Oberfläche zusammendrückt.

Fnorm dient zur Unterstützung des Objekts und steht senkrecht zur Schnittstelle. Da sich das Rohr in diesem Fall auf einem ebenen Boden befindet, ist die Fnorm gleich und entgegengesetzt zur Schwerkraft, die mg ist. Wenn Sie also die kombinierte Masse von Ihnen mit dem Rohr und den kinetischen Reibungskoeffizienten für Gummi und Eis kennen, können wir die Reibungskraft leicht berechnen.

Kinetische Reibung kann einen Teil der kinetischen Energie des Rohrs in Wärme umwandeln und reduziert auch den Impuls des Rohrs, wodurch es letztendlich zur Ruhe kommt.

Jetzt kommt die Haftreibung - die andere Art der Reibung - ins Spiel. Diese Reibungskraft wirkt der Bewegung eines statischen Objekts entgegen und kann durch Aufbringen einer externen Kraft berechnet werden. Die ausgeübte Kraft, die das Objekt schließlich bewegt, zeigt die maximale statische Kraft an.

Die Formel für die maximale statische Kraft ist die gleiche wie die für die kinetische Reibung, aber der Haftreibungskoeffizient ? S ist typischerweise größer als ? K für die gleiche Material-Oberflächen-Kombination.

Eine andere Möglichkeit, die maximale statische Kraft zu überwinden, besteht darin, die Neigung der Oberfläche zu erhöhen. In einem bestimmten Winkel, der als Ruhewinkel oder ? R ist die Kraft, die die Steigung hinunterzieht, gleich der Haftreibungskraft und das Rohr beginnt zu gleiten. Diese Zugkraft, die sich aus dem Sinus des Ruhewinkels multipliziert mit der Schwerkraft ergibt, entspricht der maximalen statischen Kraft, die ? S mal Produkt von m, g und Kosinus von ?R. Durch Umanordnen dieser Gleichung können wir den Haftreibungskoeffizienten berechnen.

Nachdem wir nun die Prinzipien der Reibung kennengelernt haben, sehen wir uns an, wie diese Konzepte angewendet werden können, um die Kräfte und Koeffizienten sowohl der kinetischen als auch der Haftreibung experimentell zu berechnen. Dieses Experiment besteht aus einer Massenskala, einer Kraftskala, zwei Metallpfannen mit unterschiedlichen Reibungskoeffizienten, die als Block 1 und 2 bezeichnet werden, einer einstellbaren Neigungsebene, zwei 1000 g Gewichten und einem Winkelmesser.

Fügen Sie jedem Block ein Gewicht von 1000 g hinzu und verwenden Sie die Waage, um die Massen der geladenen Blöcke zu messen.

Nachdem Sie die Kraftskala an Block 1 angeschlossen haben, ziehen Sie die Skala horizontal und notieren Sie sich den Kraftmesswert, kurz bevor der Block zu gleiten beginnt. Zeichnen Sie diese maximale Haftreibungskraft auf und wiederholen Sie diese Messung fünfmal, um mehrere Datensätze zu erhalten. Führen Sie das gleiche Verfahren mit Block 2 durch, und notieren Sie sich diese Werte.

Ziehen Sie als Nächstes die Kraftskala mit Block 1 verbunden, ziehen Sie die Skala mit konstanter Geschwindigkeit und notieren Sie die kinetische Reibungskraft auf dem Messgerät. Wiederholen Sie diese Messung fünfmal, um mehrere Datensätze zu erhalten. Führen Sie das gleiche Verfahren erneut mit Block 2 durch und notieren Sie diese Werte.

Platzieren Sie nun Block 1 auf Block 2 und ziehen Sie die Waage mit konstanter Geschwindigkeit, um die kinetische Reibungskraft zu bestimmen. Wiederholen Sie diese Messung fünfmal und berechnen Sie den Durchschnitt. Führen Sie dann den gleichen Vorgang mit Block 2 über Block 1 durch.

Für das nächste Experiment drehen Sie Block 1 so, dass die kleinere Fläche zum Tisch zeigt, und befestigen Sie ihn an der Kraftskala. Messen Sie nun wie zuvor die Haftreibungskraft, indem Sie sich die Kraft notieren, bevor der Block zu gleiten beginnt. Wiederholen Sie diese Messung fünfmal, um mehrere Datensätze zu erhalten.

Platzieren Sie für das letzte Experiment Block 1 auf der einstellbaren Neigungsebene, wobei die Ebene zunächst in einem Winkel von null Grad steht. Heben Sie den Winkel der Ebene langsam an und verwenden Sie einen Winkelmesser, um den Winkel zu bestimmen, in dem der Block zu gleiten beginnt. Wiederholen Sie diese Messung erneut fünfmal, um mehrere Datensätze zu erhalten, und führen Sie das gleiche Verfahren mit Block 2 durch.

Bei den Experimenten, die an der horizontalen Fläche durchgeführt werden, ist die Normalkraft auf die Blöcke gleich dem Gewicht, d.h. Masse mal g. Da die Masse von Block 1 und 2 sowohl für statische als auch für kinetische Reibungsexperimente gleich ist, ist Fnorm in allen vier Fällen gleich. Anhand des Mittelwerts der gemessenen Kraftwerte für die verschiedenen Versuche und der Formeln für beide Reibungen können die Reibungskoeffizienten berechnet werden.

Erwartungsgemäß ist der Haftreibungskoeffizient größer als der kinetische Reibungskoeffizient. Darüber hinaus sind die jeweiligen Koeffizienten für die beiden Blöcke unterschiedlich, da sie jeweils eine unterschiedliche Oberflächenrauheit besitzen.

Im Experiment mit gestapelten Blöcken wissen wir, dass sich die Masse in beiden Fällen verdoppelt, so dass wir die neue Fnorm berechnen können. Wir kennen ?k bereits für den Block, der mit der Oberfläche in Berührung kommt. Anhand dieser können wir die kinetische Reibungskraft berechnen, die gut mit der während des Experiments gemessenen Kraft übereinstimmt.

Die nach einer Orientierungsänderung von Block 1 gemessene Reibungskraft zeigte, dass die Kontaktfläche die Reibungskraft nicht beeinflusst. Die Diskrepanzen zwischen den berechneten und gemessenen Kräften stimmen mit den geschätzten Fehlern überein, die beim Auslesen der Kraftskala bei konstanter Geschwindigkeit auftreten.

Für die Experimente mit der schiefen Ebene wurde der Schüttwinkel gemessen. Mit diesem Winkel konnten die Haftreibungskoeffizienten bestimmt werden, und hier sind die Werte günstig mit den Koeffizienten vergleichbar, die aus den horizontalen Gleitmessungen gemessen wurden.

Die Untersuchung der Reibung ist in mehreren Anwendungen wichtig, da sie entweder sehr vorteilhaft sein kann oder ein Phänomen ist, das minimiert werden muss.

Für Automobilreifenhersteller ist es äußerst wichtig, die Reibung zu untersuchen, da sie es den Reifen ermöglicht, auf einer Straße Traktion zu gewinnen. Wenn es regnet, verringern das Wasser und die Restöle auf der Straße den Reibungskoeffizienten erheblich, wodurch Rutschen und Unfälle viel wahrscheinlicher werden.

Während Ingenieure die Reibung bei Autoreifen erhöhen wollen, wollen sie bei Motoren und Maschinen im Allgemeinen reduziert werden, da die Reibung zwischen Metallen Wärme erzeugen und ihre Strukturen beschädigen kann. Daher untersuchen Ingenieure ständig Schmierstoffe, die dazu beitragen können, den Reibungskoeffizienten zwischen zwei Oberflächen zu verringern.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE zu Friction gesehen. Sie sollten nun verstehen, welche Faktoren zum Ausmaß der Reibung beitragen, welche verschiedenen Arten von Reibung es gibt und welche physikalischen Mechanismen zugrunde liegen. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!