Reibung

Abbildung 1: Simulierte Blöcke mit fraktal rauen Oberflächen, die statische Reibungswechselwirkungen aufweisen ⓘ

Reibung ist die Kraft, die der relativen Bewegung von festen Oberflächen, Flüssigkeitsschichten und Materialelementen, die gegeneinander gleiten, entgegenwirkt. Es gibt verschiedene Arten von Reibung:

• Die trockene Reibung ist eine Kraft, die der relativen seitlichen Bewegung zweier sich berührender fester Oberflächen entgegenwirkt. Die trockene Reibung wird unterteilt in die Haftreibung ("stiction") zwischen unbewegten Oberflächen und die kinetische Reibung zwischen bewegten Oberflächen. Mit Ausnahme der atomaren oder molekularen Reibung entsteht die trockene Reibung im Allgemeinen durch die Wechselwirkung von Oberflächenmerkmalen, den so genannten Rauhigkeiten (siehe Abbildung 1).
• Flüssigkeitsreibung beschreibt die Reibung zwischen Schichten einer viskosen Flüssigkeit, die sich relativ zueinander bewegen. ⓘ

• Die geschmierte Reibung ist ein Fall von Flüssigkeitsreibung, bei dem eine schmierende Flüssigkeit zwei feste Oberflächen voneinander trennt. ⓘ

• Die Mantelreibung ist eine Komponente des Luftwiderstands, d. h. der Kraft, die der Bewegung einer Flüssigkeit über die Oberfläche eines Körpers entgegenwirkt.
• Innere Reibung ist die Kraft, die sich der Bewegung zwischen den Elementen eines festen Materials widersetzt, während dieses verformt wird. ⓘ

Wenn sich berührende Oberflächen relativ zueinander bewegen, wandelt die Reibung zwischen den beiden Oberflächen kinetische Energie in Wärmeenergie um (d. h. sie wandelt Arbeit in Wärme um). Diese Eigenschaft kann dramatische Folgen haben, wie das Beispiel der Reibung zeigt, die durch das Aneinanderreiben von Holzstücken entsteht, um ein Feuer zu entfachen. Kinetische Energie wird immer dann in Wärmeenergie umgewandelt, wenn eine Bewegung mit Reibung einhergeht, z. B. wenn eine viskose Flüssigkeit gerührt wird. Eine weitere wichtige Folge vieler Arten von Reibung kann Verschleiß sein, der zu Leistungseinbußen oder Schäden an Komponenten führen kann. Reibung ist Teil der Wissenschaft der Tribologie. ⓘ

Reibung ist erwünscht und wichtig für die Traktion, um die Fortbewegung an Land zu erleichtern. Die meisten Landfahrzeuge sind auf Reibung angewiesen, um zu beschleunigen, abzubremsen und die Richtung zu ändern. Eine plötzliche Verringerung der Traktion kann zum Verlust der Kontrolle und zu Unfällen führen. ⓘ

Reibung selbst ist keine grundlegende Kraft. Trockene Reibung entsteht aus einer Kombination von Oberflächenhaftung, Oberflächenrauhigkeit, Oberflächenverformung und Oberflächenverschmutzung. Die Komplexität dieser Wechselwirkungen macht die Berechnung der Reibung nach ersten Prinzipien unpraktisch und erfordert den Einsatz empirischer Methoden für die Analyse und die Entwicklung einer Theorie. ⓘ

Reibung ist eine nicht-konservative Kraft - die gegen die Reibung verrichtete Arbeit ist wegabhängig. Bei Vorhandensein von Reibung wird immer ein Teil der kinetischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt, so dass die mechanische Energie nicht erhalten bleibt. ⓘ

Bei der Betrachtung von Reibungsvorgängen unterscheidet man zwischen äußerer Reibung und innerer Reibung. Die äußere Reibung tritt auf bei Reibung zwischen sich berührenden Außenflächen von Festkörpern. Die innere Reibung tritt auf zwischen benachbarten Teilchen bei Verformungsvorgängen innerhalb von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. In physikalischen Modellen werden Reibungskräfte oft vernachlässigt, wenn sie relativ klein und/oder quantitativ schwer erfassbar sind. Mit der wissenschaftlichen Untersuchung von Reibungsvorgängen beschäftigt sich die Tribologie (Reibungslehre). ⓘ

Geschichte

Die Griechen, darunter Aristoteles, Vitruv und Plinius der Ältere, interessierten sich für die Ursache und Abschwächung von Reibung. Sie waren sich der Unterschiede zwischen statischer und kinetischer Reibung bewusst und Themistius stellte 350 n. Chr. fest, dass es leichter ist, die Bewegung eines sich bewegenden Körpers zu fördern als einen ruhenden Körper zu bewegen". ⓘ

Die klassischen Gesetze der Gleitreibung wurden 1493 von Leonardo da Vinci, einem Pionier der Tribologie, entdeckt, aber die in seinen Notizbüchern dokumentierten Gesetze wurden nicht veröffentlicht und blieben unbekannt. Diese Gesetze wurden 1699 von Guillaume Amontons wiederentdeckt und wurden als Amontons' drei Gesetze der Trockenreibung bekannt. Amontons stellte das Wesen der Reibung anhand von Oberflächenunregelmäßigkeiten und der Kraft dar, die erforderlich ist, um das Gewicht anzuheben, das die Oberflächen zusammenpresst. Diese Sichtweise wurde von Bernard Forest de Bélidor und Leonhard Euler (1750) weiterentwickelt, die den Schüttwinkel eines Gewichts auf einer schiefen Ebene ableiteten und erstmals zwischen statischer und kinetischer Reibung unterschieden. John Theophilus Desaguliers (1734) erkannte erstmals die Rolle der Adhäsion bei der Reibung. Mikroskopische Kräfte bewirken, dass Oberflächen aneinander haften; er schlug vor, dass Reibung die Kraft ist, die notwendig ist, um die aneinander haftenden Oberflächen auseinanderzureißen. ⓘ

Das Verständnis der Reibung wurde von Charles-Augustin de Coulomb (1785) weiter entwickelt. Coulomb untersuchte den Einfluss von vier Hauptfaktoren auf die Reibung: die Beschaffenheit der sich berührenden Materialien und ihrer Oberflächenbeschichtungen, die Größe der Oberfläche, den Normaldruck (oder die Belastung) und die Dauer des Kontakts zwischen den Oberflächen (Ruhezeit). Coulomb berücksichtigte außerdem den Einfluss von Gleitgeschwindigkeit, Temperatur und Feuchtigkeit, um zwischen den verschiedenen Erklärungen für die Art der Reibung zu entscheiden, die vorgeschlagen worden waren. Im Coulombschen Reibungsgesetz (siehe unten) wird zwischen Haft- und Gleitreibung unterschieden, obwohl diese Unterscheidung bereits 1758 von Johann Andreas von Segner getroffen wurde. Die Auswirkung der Ruhezeit wurde von Pieter van Musschenbroek (1762) erklärt, indem er die Oberflächen von Fasermaterialien betrachtete, bei denen die Fasern ineinander greifen, was eine endliche Zeit dauert, in der die Reibung zunimmt. ⓘ

John Leslie (1766-1832) stellte eine Schwachstelle in den Ansichten Amontons und Coulombs fest: Wenn die Reibung dadurch entsteht, dass ein Gewicht die schiefe Ebene aufeinanderfolgender Unebenheiten hinaufgezogen wird, warum wird es dann nicht durch das Herabsteigen der entgegengesetzten Schräge ausgeglichen? Leslie war ebenso skeptisch gegenüber der von Desaguliers vorgeschlagenen Rolle der Adhäsion, die im Großen und Ganzen die gleiche Tendenz zur Beschleunigung wie zur Verzögerung der Bewegung haben sollte. Nach Leslies Auffassung ist die Reibung als ein zeitabhängiger Prozess der Abflachung zu sehen, der die Unebenheiten nach unten drückt und neue Hindernisse in den zuvor vorhandenen Hohlräumen schafft. ⓘ

Arthur Jules Morin (1833) entwickelte das Konzept der Gleit- und Rollreibung. Osborne Reynolds (1866) leitete die Gleichung der viskosen Strömung ab. Damit war das klassische empirische Modell der Reibung (statische, kinetische und Flüssigkeitsreibung), das heute in der Technik verwendet wird, fertiggestellt. Im Jahr 1877 untersuchten Fleeming Jenkin und J. A. Ewing die Kontinuität zwischen statischer und kinetischer Reibung. ⓘ

Der Schwerpunkt der Forschung im 20. Jahrhundert lag auf dem Verständnis der physikalischen Mechanismen, die der Reibung zugrunde liegen. Frank Philip Bowden und David Tabor (1950) zeigten, dass auf mikroskopischer Ebene die tatsächliche Berührungsfläche zwischen Oberflächen nur einen sehr kleinen Teil der scheinbaren Fläche ausmacht. Diese tatsächliche Kontaktfläche, die durch Unebenheiten verursacht wird, nimmt mit dem Druck zu. Die Entwicklung des Rasterkraftmikroskops (ca. 1986) ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Reibung auf atomarer Ebene zu untersuchen, und zeigte, dass die trockene Reibung auf dieser Ebene das Produkt aus der Schubspannung zwischen den Oberflächen und der Kontaktfläche ist. Diese beiden Entdeckungen erklären das erste Gesetz von Amonton (siehe unten), die makroskopische Proportionalität zwischen der Normalkraft und der statischen Reibungskraft zwischen trockenen Oberflächen. ⓘ

Gesetze der Trockenreibung

Die elementaren Eigenschaften der (kinetischen) Gleitreibung wurden im 15. bis 18. Jahrhundert experimentell entdeckt und in drei empirischen Gesetzen ausgedrückt:

• Amontons' erstes Gesetz: Die Reibungskraft ist direkt proportional zur aufgebrachten Last.
• Zweites Amontonsches Gesetz: Die Reibungskraft ist unabhängig von der scheinbaren Kontaktfläche.
• Coulombsches Gesetz der Reibung: Die kinetische Reibung ist unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit. ⓘ

Trockene Reibung

Die trockene Reibung widersteht der relativen seitlichen Bewegung zweier fester Oberflächen, die sich berühren. Die beiden Arten der trockenen Reibung sind die Haftreibung zwischen unbewegten Oberflächen und die kinetische Reibung (auch Gleitreibung oder dynamische Reibung genannt) zwischen bewegten Oberflächen. ⓘ

Die Coulombsche Reibung, benannt nach Charles-Augustin de Coulomb, ist ein Näherungsmodell zur Berechnung der Kraft der trockenen Reibung. Sie wird durch das Modell bestimmt:

$$F_{\mathrm {f} }\leq \mu F_{\mathrm {n} },$$

wobei

• $F_{\mathrm {f} }$ die Reibungskraft ist, die von jeder Oberfläche auf die andere ausgeübt wird. Sie verläuft parallel zur Oberfläche und in einer Richtung, die der angelegten Nettokraft entgegengesetzt ist.
• $\mu$ der Reibungskoeffizient ist, der eine empirische Eigenschaft der sich berührenden Materialien ist,
• $F_{\mathrm {n} }$ ist die Normalkraft, die von jeder Oberfläche auf die andere ausgeübt wird und die senkrecht (normal) auf die Oberfläche wirkt. ⓘ

Die Coulomb-Reibung $F_{\mathrm {f} }$ kann jeden Wert zwischen Null und $\mu F_{\mathrm {n} }$annehmen, und die Richtung der Reibungskraft gegen eine Oberfläche ist der Bewegung entgegengesetzt, die die Oberfläche bei fehlender Reibung erfahren würde. Im statischen Fall ist die Reibungskraft also genau so groß, wie sie sein muss, um eine Bewegung zwischen den Oberflächen zu verhindern; sie gleicht die Nettokraft aus, die zu einer solchen Bewegung führt. In diesem Fall liefert die Coulomb-Näherung keine Schätzung der tatsächlichen Reibungskraft, sondern einen Schwellenwert für diese Kraft, oberhalb dessen eine Bewegung einsetzen würde. Diese maximale Kraft wird als Zugkraft bezeichnet. ⓘ

Die Reibungskraft wird immer in einer Richtung ausgeübt, die der Bewegung (bei kinetischer Reibung) oder der potenziellen Bewegung (bei Haftreibung) zwischen den beiden Oberflächen entgegenwirkt. Ein Curlingstein, der über das Eis gleitet, erfährt zum Beispiel eine kinetische Kraft, die ihn verlangsamt. Ein Beispiel für eine potenzielle Bewegung: Die Antriebsräder eines beschleunigenden Autos erfahren eine nach vorn gerichtete Reibungskraft; andernfalls würden die Räder durchdrehen und das Gummi würde rückwärts über den Asphalt gleiten. Man beachte, dass es nicht die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ist, der sie entgegenwirken, sondern die Richtung des (potenziellen) Gleitens zwischen Reifen und Straße. ⓘ

Normale Kraft

Freikörperdiagramm für einen Block auf einer Rampe. Die Pfeile sind Vektoren, die die Richtungen und Größen der Kräfte angeben. N ist die Normalkraft, mg ist die Schwerkraft, und Ff ist die Reibungskraft. ⓘ

Die Normalkraft ist definiert als die Nettokraft, die zwei parallele Flächen zusammenpresst, und ihre Richtung ist senkrecht zu den Flächen. Im einfachen Fall einer Masse, die auf einer horizontalen Fläche ruht, ist die einzige Komponente der Normalkraft die durch die Schwerkraft verursachte Kraft, wobei $N=mg\,$. In diesem Fall besagen die Gleichgewichtsbedingungen, dass der Betrag der Reibungskraft gleich Null ist, $F_{f}=0$. In der Tat erfüllt die Reibungskraft immer die Bedingung $F_{f}\leq \mu N$wobei die Gleichheit nur bei einem kritischen Rampenwinkel (gegeben durch $\tan ^{-1}\mu$), der steil genug ist, um ein Gleiten einzuleiten. ⓘ

Der Reibungskoeffizient ist eine empirische (experimentell gemessene) Struktureigenschaft, die nur von verschiedenen Aspekten der sich berührenden Materialien abhängt, z. B. der Oberflächenrauheit. Der Reibungskoeffizient ist keine Funktion der Masse oder des Volumens. So hat beispielsweise ein großer Aluminiumblock den gleichen Reibungskoeffizienten wie ein kleiner Aluminiumblock. Die Größe der Reibungskraft selbst hängt jedoch von der Normalkraft und damit von der Masse des Blocks ab. ⓘ

Je nach Situation können in die Berechnung der Normalkraft $N$ auch andere Kräfte als die Schwerkraft einbeziehen. Wenn sich ein Gegenstand auf einer ebenen Fläche befindet und einer äußeren Kraft ausgesetzt ist $P$ die ihn zum Gleiten bringt, dann ist die Normalkraft zwischen dem Gegenstand und der Oberfläche einfach $N=mg+P_{y}$, wobei $mg$ das Gewicht des Blocks ist und $P_{y}$ die nach unten gerichtete Komponente der äußeren Kraft ist. Vor dem Gleiten beträgt diese Reibungskraft $F_{f}=-P_{x}$, wobei $P_{x}$ die horizontale Komponente der äußeren Kraft ist. Daher $F_{f}\leq \mu N$ im Allgemeinen. Das Gleiten beginnt erst, wenn diese Reibungskraft den Wert $F_{f}=\mu N$. Bis dahin ist die Reibung so groß, wie sie sein muss, um das Gleichgewicht zu gewährleisten, so dass sie einfach als Reaktion betrachtet werden kann. ⓘ

Befindet sich das Objekt auf einer geneigten Fläche, z. B. einer schiefen Ebene, ist die Normalkraft der Schwerkraft kleiner als $mg$weil ein geringerer Teil der Schwerkraft senkrecht zur Oberfläche der Ebene wirkt. Die Normalkraft und die Reibungskraft werden letztlich mit Hilfe der Vektoranalyse bestimmt, in der Regel über ein Freikörperdiagramm. ⓘ

Im Allgemeinen besteht das Verfahren zur Lösung eines statischen Problems mit Reibung darin, die sich berührenden Flächen versuchsweise als unbeweglich zu betrachten, so dass die entsprechende tangentiale Reaktionskraft zwischen ihnen berechnet werden kann. Wenn diese Reibungskraft folgende Bedingungen erfüllt $F_{f}\leq \mu N$erfüllt, dann war die vorläufige Annahme richtig, und es handelt sich um die tatsächliche Reibungskraft. Andernfalls muss die Reibungskraft gleichgesetzt werden mit $F_{f}=\mu N$und das sich daraus ergebende Kräfteungleichgewicht würde dann die mit dem Rutschen verbundene Beschleunigung bestimmen. ⓘ

Reibungskoeffizient

Der Reibungskoeffizient (COF), oft durch den griechischen Buchstaben µ symbolisiert, ist ein dimensionsloser skalarer Wert, der dem Verhältnis zwischen der Reibungskraft zwischen zwei Körpern und der Kraft entspricht, die sie entweder während oder zu Beginn des Gleitens zusammenpresst. Der Reibungskoeffizient hängt von den verwendeten Materialien ab; beispielsweise hat Eis auf Stahl einen niedrigen Reibungskoeffizienten, während Gummi auf Pflaster einen hohen Reibungskoeffizienten hat. Die Reibungskoeffizienten reichen von nahezu Null bis zu mehr als Eins. Der Reibungskoeffizient zwischen zwei Oberflächen aus ähnlichen Metallen ist größer als der zwischen zwei Oberflächen aus unterschiedlichen Metallen; so hat beispielsweise Messing einen höheren Reibungskoeffizienten, wenn es gegen Messing bewegt wird, aber einen geringeren, wenn es gegen Stahl oder Aluminium bewegt wird. ⓘ

Für Oberflächen, die relativ zueinander ruhen, $\mu =\mu _{\mathrm {s} }$, wobei $\mu _{\mathrm {s} }$ ist der Haftreibungskoeffizient. Dieser ist in der Regel größer als sein kinetisches Gegenstück. Der Haftreibungskoeffizient eines Paares sich berührender Oberflächen hängt von den kombinierten Effekten der Materialverformungseigenschaften und der Oberflächenrauheit ab, die beide ihren Ursprung in der chemischen Bindung zwischen den Atomen in jedem der Grundmaterialien und zwischen den Materialoberflächen und dem adsorbierten Material haben. Die Fraktalität von Oberflächen, ein Parameter, der das Skalierungsverhalten von Oberflächenunebenheiten beschreibt, spielt bekanntermaßen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Ausmaßes der Haftreibung. ⓘ

Für Oberflächen in relativer Bewegung $\mu =\mu _{\mathrm {k} }$, wobei $\mu _{\mathrm {k} }$ ist der Koeffizient der kinetischen Reibung. Die Coulomb-Reibung ist gleich $F_{\mathrm {f} }$und die Reibungskraft auf jeder Oberfläche wird in der Richtung ausgeübt, die ihrer Bewegung relativ zur anderen Oberfläche entgegengesetzt ist. ⓘ

Arthur Morin führte den Begriff ein und demonstrierte den Nutzen des Reibungskoeffizienten. Der Reibungskoeffizient ist ein empirisches Maß - er muss experimentell gemessen werden und lässt sich nicht durch Berechnungen ermitteln. Raue Oberflächen haben tendenziell höhere effektive Werte. Sowohl der statische als auch der kinetische Reibungskoeffizient hängen vom Paar der sich berührenden Oberflächen ab; bei einem gegebenen Paar von Oberflächen ist der Koeffizient der statischen Reibung in der Regel größer als der der kinetischen Reibung; in einigen Fällen sind die beiden Koeffizienten gleich, z. B. bei Teflon auf Teflon. ⓘ

Die meisten trockenen Materialien in Kombination haben Reibungskoeffizienten zwischen 0,3 und 0,6. Werte außerhalb dieses Bereichs sind seltener, aber Teflon kann zum Beispiel einen Koeffizienten von nur 0,04 haben. Ein Wert von Null würde bedeuten, dass es überhaupt keine Reibung gibt - eine schwer fassbare Eigenschaft. Gummi in Kontakt mit anderen Oberflächen kann Reibungskoeffizienten von 1 bis 2 ergeben. Gelegentlich wird behauptet, dass μ immer < 1 ist, aber das ist nicht wahr. Während in den meisten relevanten Anwendungen μ < 1 ist, bedeutet ein Wert über 1 lediglich, dass die Kraft, die erforderlich ist, um einen Gegenstand auf der Oberfläche zu verschieben, größer ist als die Normalkraft der Oberfläche auf den Gegenstand. So haben z. B. mit Silikongummi oder Acrylgummi beschichtete Oberflächen einen Reibungskoeffizienten, der wesentlich größer als 1 sein kann. ⓘ

Obwohl der COF oft als "Materialeigenschaft" bezeichnet wird, ist er besser als "Systemeigenschaft" einzustufen. Im Gegensatz zu echten Materialeigenschaften (wie Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Streckgrenze) hängt der COF für zwei beliebige Materialien von Systemvariablen wie Temperatur, Geschwindigkeit, Atmosphäre und auch von dem ab, was heute allgemein als Alterungs- und Alterungszeiten bezeichnet wird, sowie von den geometrischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen den Materialien, nämlich der Oberflächenstruktur. So kann beispielsweise ein Kupferstift, der gegen eine dicke Kupferplatte gleitet, einen COF aufweisen, der von 0,6 bei niedrigen Geschwindigkeiten (Metall gleitet gegen Metall) bis unter 0,2 bei hohen Geschwindigkeiten schwankt, wenn die Kupferoberfläche aufgrund von Reibungserwärmung zu schmelzen beginnt. Die letztgenannte Geschwindigkeit bestimmt natürlich nicht eindeutig den COF; wenn der Stiftdurchmesser vergrößert wird, so dass die Reibungserwärmung schnell beseitigt wird, sinkt die Temperatur, der Stift bleibt fest und der COF steigt auf den Wert eines Tests bei "niedriger Geschwindigkeit". "Coefficient of Friction - an overview - ScienceDirect Topics". Abgerufen am 9. Mai 2022. ⓘ

Ungefähre Reibungskoeffizienten

Werkstoffe		Statische Reibung, $\mu _{\mathrm {s} }$		Kinetische/gleitende Reibung, $\mu _{\mathrm {k} }\,$ ⓘ
		Trocken und sauber	Geschmiert	Trocken und sauber	Geschmiert
Aluminium	Stahl	0.61		0.47
Aluminium	Aluminium	1.05–1.35	0.3	1.4–1.5
Gold	Gold			2.5
Platin	Platin	1.2	0.25	3.0
Silber	Silber	1.4	0.55	1.5
Tonerde-Keramik	Siliziumnitrid-Keramik				0,004 (nass)
BAM (keramische Legierung AlMgB14)	Titanborid (TiB2)	0.04–0.05	0.02
Messing	Stahl	0.35–0.51	0.19	0.44
Gusseisen	Kupfer	1.05		0.29
Gusseisen	Zink	0.85		0.21
Beton	Gummi	1.0	0,30 (nass)	0.6–0.85	0,45-0,75 (nass)
Beton	Holz	0.62
Kupfer	Glas	0.68		0.53
Kupfer	Stahl	0.53		0.36	0.18
Glas	Glas	0.9–1.0	0.005–0.01	0.4	0.09–0.116
Menschliche Synovialflüssigkeit	Menschlicher Knorpel		0.01		0.003
Eis	Eis	0.02–0.09
Polyäthylen	Stahl	0.2	0.2
PTFE (Teflon)	PTFE (Teflon)	0.04	0.04		0.04
Stahl	Eis	0.03
Stahl	PTFE (Teflon)	0.04−0.2	0.04		0.04
Stahl	Stahl	0.74−0.80	0.005–0.23	0.42–0.62	0.029–0.19
Holz	Metall	0.2–0.6	0,2 (nass)	0.49	0.075
Holz	Holz	0.25–0.62	0,2 (nass)	0.32–0.48	0.067–0.167

Unter bestimmten Bedingungen haben einige Materialien sehr niedrige Reibungskoeffizienten. Ein Beispiel ist (hochgeordneter pyrolytischer) Graphit, der einen Reibungskoeffizienten von unter 0,01 aufweisen kann. Dieser ultraniedrige Reibungszustand wird als Superschmierfähigkeit bezeichnet. ⓘ

Statische Reibung

Wenn sich die Masse nicht bewegt, erfährt das Objekt Haftreibung. Die Reibung nimmt mit steigender Kraft zu, bis sich der Block bewegt. Nachdem sich der Block bewegt hat, tritt kinetische Reibung auf, die geringer ist als die maximale Haftreibung. ⓘ

Haftreibung ist die Reibung zwischen zwei oder mehr festen Objekten, die sich nicht relativ zueinander bewegen. Beispielsweise kann die Haftreibung verhindern, dass ein Objekt eine _schräge Fläche hinunterrutscht. Der Haftreibungskoeffizient, der üblicherweise mit μs bezeichnet wird, ist in der Regel höher als der kinetische Reibungskoeffizient. Es wird davon ausgegangen, dass Haftreibung das Ergebnis von Oberflächenrauhigkeitsmerkmalen über mehrere Längenskalen auf festen Oberflächen ist. Diese als Unebenheiten bekannten Merkmale sind bis in den Nanobereich hinein vorhanden und führen dazu, dass ein echter Festkörperkontakt nur an einer begrenzten Anzahl von Punkten besteht, die nur einen Bruchteil der scheinbaren oder nominalen Kontaktfläche ausmachen. Die Linearität zwischen der aufgebrachten Last und der tatsächlichen Kontaktfläche, die sich aus der Verformung der Unebenheiten ergibt, führt zu der Linearität zwischen Haftreibungskraft und Normalkraft, die für die typische Amonton-Coulomb-Reibung gefunden wurde. ⓘ

Die Haftreibungskraft muss durch eine aufgebrachte Kraft überwunden werden, bevor sich ein Objekt bewegen kann. Die maximal mögliche Reibungskraft zwischen zwei Oberflächen, bevor das Gleiten beginnt, ist das Produkt aus dem Haftreibungskoeffizienten und der Normalkraft: $F_{\text{max}}=\mu _{\mathrm {s} }F_{\text{n}}$. Wenn kein Gleiten stattfindet, kann die Reibungskraft jeden Wert von Null bis zu $F_{\text{max}}$. Jede Kraft, die kleiner ist als $F_{\text{max}}$ dem Versuch, eine Oberfläche über die andere zu schieben, steht eine Reibungskraft gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung entgegen. Jede Kraft, die größer ist als $F_{\text{max}}$ die Kraft der Haftreibung überwindet und ein Gleiten auslöst. In dem Moment, in dem das Gleiten auftritt, ist die Haftreibung nicht mehr gegeben - die Reibung zwischen den beiden Oberflächen wird dann als kinetische Reibung bezeichnet. Eine scheinbare Haftreibung kann jedoch auch dann beobachtet werden, wenn die tatsächliche Haftreibung gleich Null ist. ⓘ

Ein Beispiel für Haftreibung ist die Kraft, die verhindert, dass ein Autorad beim Rollen auf dem Boden durchrutscht. Obwohl das Rad in Bewegung ist, ist die Stelle des Reifens, die mit dem Boden in Berührung kommt, relativ zum Boden unbeweglich, es handelt sich also um Haftreibung und nicht um kinetische Reibung. Beim Rutschen ändert sich die Radreibung in kinetische Reibung. Ein Antiblockiersystem funktioniert nach dem Prinzip, dass sich ein blockiertes Rad wieder drehen kann, so dass das Fahrzeug die Haftreibung beibehält. ⓘ

Der Höchstwert der Haftreibung, wenn eine Bewegung bevorsteht, wird manchmal als Grenzreibung bezeichnet, obwohl dieser Begriff nicht allgemein verwendet wird. ⓘ

Gleitreibung tritt an der Kontaktfläche zweier Körper auf, die sich relativ zueinander bewegen. Die Gleitreibungskraft ist antiparallel zur Bewegungsrichtung und, bei gleicher Normalkraft, meist geringer als die Haftreibungskraft. Nach den Amontonsschen bzw. Coulombschen Gesetzen ist sie unabhängig von der Geschwindigkeit. Bei einigen Werkstoffkombinationen tritt allerdings ein Kriechen auf, so dass die Reibungskraft geschwindigkeitsabhängig wird. ⓘ

Fig.1, 2 Haftreibung: Die äußere Kraft F und die Haftreibungskraft F_H sind gleich groß → Der Körper bewegt sich nicht.
Fig.3 Haftreibung: wie bei Fig.1, aber hier ist die maximale Haftreibungskraft F_H,krit erreicht. Da die äußere Kraft größer als die Haftgrenze ist, wird der Körper beschleunigt.
Fig.4 Gleitreibung: Der Körper rutscht mit konstanter Geschwindigkeit, die äußere Kraft ist geringer als F_H,krit. Die äußere Kraft F ist gleich groß wie die Gleitreibungskraft F_R.
Dargestellt sind nur die Kräfte in Bewegungsrichtung. ⓘ

Kinetische Reibung

Kinetische Reibung, auch dynamische Reibung oder Gleitreibung genannt, tritt auf, wenn sich zwei Objekte relativ zueinander bewegen und aneinander reiben (wie ein Schlitten auf dem Boden). Der Koeffizient der kinetischen Reibung wird in der Regel mit μk bezeichnet und ist in der Regel kleiner als der Koeffizient der statischen Reibung für dieselben Materialien. Richard Feynman merkt jedoch an, dass es bei trockenen Metallen sehr schwierig ist, einen Unterschied festzustellen. Die Reibungskraft zwischen zwei Oberflächen nach Beginn des Gleitens ist das Produkt aus dem kinetischen Reibungskoeffizienten und der Normalkraft: $F_{k}=\mu _{\mathrm {k} }F_{n}$. Dies ist für die Coulomb-Dämpfung eines schwingenden oder vibrierenden Systems verantwortlich. ⓘ

Neue Modelle beginnen zu zeigen, dass die kinetische Reibung größer sein kann als die Haftreibung. Man geht heute davon aus, dass die kinetische Reibung in vielen Fällen in erster Linie durch die chemische Bindung zwischen den Oberflächen und nicht durch ineinander greifende Unebenheiten verursacht wird; in vielen anderen Fällen sind jedoch Rauheitseffekte vorherrschend, z. B. bei der Reibung zwischen Gummi und Straße. Oberflächenrauhigkeit und Kontaktfläche beeinflussen die kinetische Reibung bei mikro- und nanoskaligen Objekten, bei denen die Oberflächenkräfte die Trägheitskräfte überwiegen. ⓘ

Der Ursprung der kinetischen Reibung auf der Nanoskala lässt sich durch die Thermodynamik erklären. Beim Gleiten bildet sich auf der Rückseite eines gleitenden echten Kontakts eine neue Oberfläche, während die bestehende Oberfläche auf der Vorderseite verschwindet. Da alle Oberflächen mit thermodynamischer Oberflächenenergie behaftet sind, muss für die Bildung der neuen Oberfläche Arbeit aufgewendet werden, und beim Entfernen der Oberfläche wird Energie in Form von Wärme freigesetzt. Es ist also eine Kraft erforderlich, um die Rückseite des Kontakts zu bewegen, und an der Vorderseite wird Reibungswärme freigesetzt. ⓘ

Reibungswinkel θ, wenn der Block gerade zu gleiten beginnt. ⓘ

Reibungswinkel

Für bestimmte Anwendungen ist es sinnvoller, die Haftreibung anhand des maximalen Winkels zu definieren, vor dem eines der Elemente zu gleiten beginnt. Dies wird als Reibungswinkel oder Reibungswinkel bezeichnet. Er ist definiert als:

$$\tan {\theta }=\mu _{\mathrm {s} }$$

und somit:

$$\theta =\arctan {\mu _{\mathrm {s} }}$$

wobei $\theta$ ist der Winkel zur Horizontalen und μs ist der Haftreibungskoeffizient zwischen den Gegenständen. Diese Formel kann auch verwendet werden, um μs aus empirischen Messungen des Reibungswinkels zu berechnen. ⓘ

Reibung auf atomarer Ebene

Die Bestimmung der Kräfte, die erforderlich sind, um Atome aneinander vorbei zu bewegen, ist eine Herausforderung bei der Entwicklung von Nanomaschinen. Im Jahr 2008 gelang es Wissenschaftlern erstmals, ein einzelnes Atom über eine Oberfläche zu bewegen und die erforderlichen Kräfte zu messen. Mit einem modifizierten Rasterkraftmikroskop wurden im Ultrahochvakuum und bei nahezu null Grad (5 K) ein Kobaltatom und ein Kohlenmonoxidmolekül über Kupfer- und Platinoberflächen gezogen. ⓘ

Beschränkungen des Coulomb-Modells

Die Coulomb-Näherung beruht auf den Annahmen, dass Oberflächen nur auf einem kleinen Teil ihrer Gesamtfläche in atomarem Kontakt stehen, dass diese Kontaktfläche proportional zur Normalkraft ist (bis zur Sättigung, die eintritt, wenn die gesamte Fläche in atomarem Kontakt ist) und dass die Reibungskraft unabhängig von der Kontaktfläche proportional zur aufgebrachten Normalkraft ist. Die Coulomb-Näherung ist im Grunde ein empirisches Konstrukt. Sie ist eine Faustregel, die das ungefähre Ergebnis einer äußerst komplizierten physikalischen Wechselwirkung beschreibt. Die Stärke der Näherung liegt in ihrer Einfachheit und Vielseitigkeit. Obwohl die Beziehung zwischen Normalkraft und Reibungskraft nicht genau linear ist (und die Reibungskraft daher nicht völlig unabhängig von der Kontaktfläche der Oberflächen ist), ist die Coulomb-Näherung eine angemessene Darstellung der Reibung für die Analyse vieler physikalischer Systeme. ⓘ

Wenn die Oberflächen miteinander verbunden sind, wird die Coulomb-Reibung zu einer sehr schlechten Näherung (z. B. widersteht Klebeband dem Gleiten, selbst wenn keine oder eine negative Normalkraft vorhanden ist). In diesem Fall kann die Reibungskraft stark von der Kontaktfläche abhängen. Einige Drag Racing-Reifen sind aus diesem Grund selbstklebend. Trotz der Komplexität der physikalischen Grundlagen der Reibung sind die Beziehungen jedoch genau genug, um in vielen Anwendungen nützlich zu sein. ⓘ

"Negativer" Reibungskoeffizient

Im Jahr 2012 wurde in einer einzigen Studie nachgewiesen, dass der Reibungskoeffizient im Niedriglastbereich tatsächlich negativ sein kann, d. h., dass eine Abnahme der Normalkraft zu einer Zunahme der Reibung führt. Dies widerspricht der alltäglichen Erfahrung, wonach eine Zunahme der Normalkraft zu einer Zunahme der Reibung führt. Im Oktober 2012 wurde in der Zeitschrift Nature über die Reibung berichtet, die ein Rasterkraftmikroskop-Stift erfährt, wenn er in Gegenwart von an Graphen adsorbiertem Sauerstoff über eine Graphenschicht gezogen wird. ⓘ

Numerische Simulation des Coulomb-Modells

Obwohl es sich um ein vereinfachtes Reibungsmodell handelt, ist das Coulomb-Modell in vielen numerischen Simulationsanwendungen nützlich, z. B. für Mehrkörpersysteme und körniges Material. Selbst sein einfachster Ausdruck erfasst die grundlegenden Effekte des Klebens und Gleitens, die in vielen Anwendungsfällen erforderlich sind, obwohl spezifische Algorithmen entwickelt werden müssen, um mechanische Systeme mit Coulomb-Reibung und bilateralem oder einseitigem Kontakt effizient numerisch zu integrieren. Bei der Coulomb-Reibung kann es zu einigen nichtlinearen Effekten wie den so genannten Painlevé-Paradoxen kommen. ⓘ

Trockene Reibung und Instabilitäten

Trockene Reibung kann verschiedene Arten von Instabilitäten in mechanischen Systemen hervorrufen, die bei Abwesenheit von Reibung ein stabiles Verhalten zeigen. Diese Instabilitäten können durch die Abnahme der Reibungskraft mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit, durch Materialausdehnung aufgrund von Wärmeentwicklung während der Reibung (thermoelastische Instabilitäten) oder durch rein dynamische Effekte beim Gleiten zweier elastischer Materialien (Adams-Martins-Instabilitäten) verursacht werden. Letztere wurden ursprünglich 1995 von George G. Adams und João Arménio Correia Martins für glatte Oberflächen entdeckt und später auch bei periodisch rauen Oberflächen festgestellt. Reibungsbedingte dynamische Instabilitäten werden insbesondere für das Bremsenquietschen und den "Gesang" einer Glasharfe verantwortlich gemacht, also für Phänomene, bei denen Stick und Slip eine Rolle spielen, die als Abfall des Reibungskoeffizienten mit der Geschwindigkeit modelliert werden. ⓘ

Ein praktisch wichtiger Fall ist die Selbstoszillation der Saiten von Streichinstrumenten wie Geige, Cello, Drehleier, Erhu usw. ⓘ

Es wurde ein Zusammenhang zwischen trockener Reibung und Flatterinstabilität in einem einfachen mechanischen System entdeckt, mehr dazu im Film. ⓘ

Reibungsinstabilitäten können zur Bildung neuer selbstorganisierter Muster (oder "Sekundärstrukturen") an der Gleitfläche führen, wie z. B. in-situ gebildete Tribofilme, die zur Verringerung von Reibung und Verschleiß in so genannten selbstschmierenden Materialien eingesetzt werden. ⓘ

Flüssigkeitsreibung

Flüssigkeitsreibung tritt zwischen Flüssigkeitsschichten auf, die sich relativ zueinander bewegen. Dieser innere Strömungswiderstand wird als Viskosität bezeichnet. In der Alltagssprache wird die Viskosität einer Flüssigkeit als ihre "Dicke" bezeichnet. So ist Wasser "dünn" und hat eine geringere Viskosität, während Honig "dick" ist und eine höhere Viskosität hat. Je weniger viskos eine Flüssigkeit ist, desto leichter lässt sie sich verformen oder bewegen. ⓘ

Alle realen Flüssigkeiten (mit Ausnahme von Supraflüssigkeiten) bieten einen gewissen Widerstand gegen Scherung und sind daher viskos. Für Lehr- und Erklärungszwecke ist es hilfreich, das Konzept einer nicht viskosen Flüssigkeit oder einer idealen Flüssigkeit zu verwenden, die keinen Scherungswiderstand bietet und daher nicht viskos ist. ⓘ

Geschmierte Reibung

Die geschmierte Reibung ist ein Fall von Flüssigkeitsreibung, bei dem eine Flüssigkeit zwei feste Oberflächen voneinander trennt. Die Schmierung ist eine Technik zur Verringerung des Verschleißes einer oder beider Oberflächen, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden und sich relativ zueinander bewegen, indem eine Substanz, ein so genanntes Schmiermittel, zwischen die Oberflächen eingebracht wird. ⓘ

In den meisten Fällen wird die aufgebrachte Last durch den Druck getragen, der in der Flüssigkeit aufgrund des viskosen Reibungswiderstands der Schmierflüssigkeit zwischen den Oberflächen entsteht. Angemessene Schmierung ermöglicht einen reibungslosen Dauerbetrieb von Geräten mit nur geringem Verschleiß und ohne übermäßige Beanspruchung oder Festfressen der Lager. Wenn die Schmierung versagt, können Metall oder andere Komponenten zerstörerisch aneinander reiben, was zu Hitze und möglicherweise zu Schäden oder Ausfällen führt. ⓘ

Reibung

Die Hautreibung entsteht durch die Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit und der Haut des Körpers und steht in direktem Zusammenhang mit der Fläche der Körperoberfläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist. Die Reibung folgt der Widerstandsgleichung und nimmt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu. ⓘ

Die Mantelreibung wird durch den viskosen Widerstand in der Grenzschicht um das Objekt verursacht. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Reibung zu verringern: Die erste besteht darin, den sich bewegenden Körper so zu formen, dass eine glatte Strömung möglich ist, wie bei einem Tragflächenprofil. Die zweite Methode besteht darin, die Länge und den Querschnitt des bewegten Objekts so weit wie möglich zu verringern. ⓘ

Innere Reibung

Innere Reibung ist die Kraft, die sich der Bewegung zwischen den Elementen eines festen Materials widersetzt, während dieses verformt wird. ⓘ

Bei der plastischen Verformung von Festkörpern handelt es sich um eine irreversible Veränderung der inneren Molekularstruktur eines Objekts. Diese Veränderung kann entweder (oder beides) durch eine angewandte Kraft oder eine Temperaturänderung verursacht werden. Die Veränderung der Form eines Objekts wird als Dehnung bezeichnet. Die Kraft, die sie verursacht, wird als Spannung bezeichnet. ⓘ

Bei der elastischen Verformung von Festkörpern handelt es sich um eine reversible Veränderung der inneren Molekularstruktur eines Objekts. Spannung verursacht nicht unbedingt eine dauerhafte Veränderung. Bei der Verformung wirken innere Kräfte der aufgebrachten Kraft entgegen. Wenn die aufgebrachte Spannung nicht zu groß ist, können diese Gegenkräfte der aufgebrachten Kraft vollständig widerstehen, so dass das Objekt einen neuen Gleichgewichtszustand einnehmen kann und nach Aufhebung der Kraft in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Dies wird als elastische Verformung oder Elastizität bezeichnet. ⓘ

Strahlungsreibung

Als Folge des Lichtdrucks sagte Einstein 1909 die Existenz der "Strahlungsreibung" voraus, die sich der Bewegung der Materie widersetzt. Er schrieb: "Die Strahlung übt Druck auf beide Seiten der Platte aus. Die Druckkräfte, die auf die beiden Seiten ausgeübt werden, sind gleich, wenn die Platte in Ruhe ist. Befindet sie sich jedoch in Bewegung, wird mehr Strahlung an der Oberfläche reflektiert, die sich während der Bewegung vorne befindet (vordere Oberfläche), als an der hinteren Oberfläche. Die rückwärts gerichtete Druckkraft, die auf die Vorderseite wirkt, ist also größer als die Druckkraft, die auf die Rückseite wirkt. Als Resultierende der beiden Kräfte bleibt also eine Kraft übrig, die der Bewegung der Platte entgegenwirkt und die mit der Geschwindigkeit der Platte zunimmt. Wir bezeichnen diese Resultante kurz als 'Strahlungsreibung'." ⓘ

Andere Arten der Reibung

Rollwiderstand

Der Rollwiderstand ist die Kraft, die dem Abrollen eines Rades oder eines anderen kreisförmigen Gegenstandes auf einer Oberfläche widersteht, die durch Verformungen des Gegenstandes oder der Oberfläche verursacht wird. Im Allgemeinen ist die Kraft des Rollwiderstands geringer als die der kinetischen Reibung. Typische Werte für den Rollwiderstandskoeffizienten liegen bei 0,001. Eines der häufigsten Beispiele für Rollwiderstand ist die Bewegung von Kraftfahrzeugreifen auf der Straße, ein Prozess, bei dem Wärme und Schall als Nebenprodukte entstehen. ⓘ

Reibung beim Bremsen

Jedes Rad, das mit einer Bremse ausgestattet ist, ist in der Lage, eine große Verzögerungskraft zu erzeugen, in der Regel zum Verlangsamen und Anhalten eines Fahrzeugs oder einer rotierenden Maschine. Die Bremsreibung unterscheidet sich von der Rollreibung, da der Reibungskoeffizient der Rollreibung klein ist, während der Reibungskoeffizient der Bremsreibung durch die Wahl der Materialien für die Bremsbeläge groß ist. ⓘ

Triboelektrischer Effekt

Wenn unterschiedliche Materialien aneinander reiben, kann es zu einer elektrostatischen Aufladung kommen, die gefährlich sein kann, wenn brennbare Gase oder Dämpfe vorhanden sind. Wenn sich die statische Aufladung entlädt, kann es durch Entzündung des brennbaren Gemischs zu Explosionen kommen. ⓘ

Riemenreibung

Die Riemenreibung ist eine physikalische Eigenschaft, die sich aus den Kräften ergibt, die auf einen um eine Riemenscheibe gewickelten Riemen wirken, wenn an einem Ende gezogen wird. Die resultierende Spannung, die auf beide Enden des Riemens wirkt, kann durch die Riemenreibungsgleichung modelliert werden. ⓘ

In der Praxis kann die theoretische Spannung, die auf den Riemen oder das Seil wirkt und die mit der Riemenreibungsgleichung berechnet wird, mit der maximalen Spannung verglichen werden, die der Riemen aufnehmen kann. Dies hilft dem Konstrukteur einer solchen Anlage zu wissen, wie oft der Riemen oder das Seil um die Rolle gewickelt werden muss, damit er nicht durchrutscht. Bergsteiger und Segler zeigen bei der Bewältigung grundlegender Aufgaben, dass sie mit der Reibung von Riemen vertraut sind. ⓘ

Verringerung der Reibung

Geräte

Vorrichtungen wie Räder, Kugellager, Rollenlager und Luftkissen oder andere Arten von Flüssigkeitslagern können die Gleitreibung in eine viel geringere Form der Rollreibung umwandeln. ⓘ

Viele thermoplastische Materialien wie Nylon, HDPE und PTFE werden häufig in reibungsarmen Lagern verwendet. Sie sind besonders nützlich, weil der Reibungskoeffizient mit zunehmender Belastung sinkt. Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit werden für Schwerlast- oder kritische Lager in der Regel hochmolekulare Typen verwendet. ⓘ

Schmierstoffe

Eine gängige Methode zur Verringerung der Reibung ist die Verwendung eines Schmiermittels, z. B. Öl, Wasser oder Fett, das zwischen die beiden Oberflächen eingebracht wird und den Reibungskoeffizienten oft drastisch verringert. Die Wissenschaft von Reibung und Schmierung wird Tribologie genannt. Von Schmierstofftechnologie spricht man, wenn Schmierstoffe mit der Anwendung von Wissenschaft gemischt werden, insbesondere für industrielle oder kommerzielle Zwecke. ⓘ

Superlubricity, ein kürzlich entdeckter Effekt, wurde bei Graphit beobachtet: Es handelt sich um eine erhebliche Verringerung der Reibung zwischen zwei gleitenden Objekten, die sich dem Nullwert nähert. Dabei wird nur noch eine sehr geringe Menge an Reibungsenergie abgeführt. ⓘ

Schmiermittel zur Überwindung der Reibung müssen nicht immer dünne, turbulente Flüssigkeiten oder pulverförmige Feststoffe wie Graphit und Talk sein; bei der akustischen Schmierung wird tatsächlich Schall als Schmiermittel verwendet. ⓘ

Eine andere Möglichkeit, die Reibung zwischen zwei Teilen zu verringern, ist die Überlagerung von Schwingungen im Mikrobereich auf einem der Teile. Dabei kann es sich um sinusförmige Schwingungen handeln, wie sie beim ultraschallunterstützten Schneiden verwendet werden, oder um Vibrationsgeräusche, die als Dither bezeichnet werden. ⓘ

Energie der Reibung

Entsprechend dem Energieerhaltungssatz geht durch Reibung keine Energie verloren. Dies gilt auch dann, wenn Energie aus einem betrachteten System verschwindet, weil sie unter Entropiezunahme in Wärmeenergie umgewandelt wurde. Ein gleitender Hockey-Puck kommt zum Stillstand, weil Reibung seine kinetische Energie in Wärme umwandelt, die die Thermoenergie des Pucks und der Eisoberfläche erhöht. Da diese Wärme schnell dissipiert, unterlagen frühe Philosophen, einschließlich Aristoteles, dem Trugschluss, dass bewegte Objekte ohne Einfluss einer treibenden Kraft Energie verlieren. ⓘ

Wenn ein Objekt entlang eines Pfades $C$ auf einer Oberfläche verschoben wird, berechnet sich die verrichtete Reibungsarbeit ${W}_{\mathrm {fric} }\,$ aus dem Produkt des Weges und der entlang des Weges wirkenden Kraft, entsprechend der Definition der Arbeit. Sind Kraft oder Reibungskoeffizient über den Weg nicht konstant, ist ein Kurvenintegral anzusetzen. ⓘ

Geht man von einer vollständigen Umwandlung in Wärmeenergie aus, gilt ⓘ

${W}_{\mathrm {fric} }=E_{\mathrm {th} }=\int _{C}\mathbf {F} _{\mathrm {fric} }(\mathbf {x} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {x} \ =\int _{C}\mu _{\mathrm {k} }\ \mathbf {F} _{\mathrm {n} }(\mathbf {x} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {x} \,$

wobei

$\mathbf {F} _{\mathrm {fric} }\,$ die Reibungskraft,

$\mathbf {F} _{\mathrm {n} }\,$ die Normalkraft,

$\mu _{\mathrm {k} }\,$ den Gleitreibungskoeffizienten (innerhalb des Integrals, da er von Ort zu Ort variieren kann, z. B. durch Materialänderungen entlang des Pfads),

$\mathbf {x} \,$ die Position des Objekts darstellt. ⓘ

Die aus einem System durch Reibung verlorene Energie ist ein klassisches Beispiel der thermodynamischen Irreversibilität. ⓘ

Arbeit der Reibung

Im Bezugssystem der Grenzfläche zwischen zwei Oberflächen verrichtet die Haftreibung keine Arbeit, da es nie zu einer Verschiebung zwischen den Oberflächen kommt. Im gleichen Bezugssystem wirkt die kinetische Reibung immer in die der Bewegung entgegengesetzte Richtung und verrichtet negative Arbeit. In bestimmten Bezugssystemen kann die Reibung jedoch positive Arbeit verursachen. Man kann dies sehen, wenn man eine schwere Kiste auf einen Teppich stellt und dann schnell an dem Teppich zieht. In diesem Fall rutscht die Kiste in Bezug auf den Teppich nach hinten, bewegt sich aber in Bezug auf das Bezugssystem, in dem der Boden stillsteht, vorwärts. Die kinetische Reibung zwischen der Kiste und dem Teppich beschleunigt die Kiste in die gleiche Richtung, in die sich die Kiste bewegt, und leistet somit positive Arbeit. ⓘ

Die durch die Reibung verrichtete Arbeit kann sich in Verformung, Verschleiß und Wärme äußern, die die Eigenschaften der Kontaktfläche (sogar den Reibungskoeffizienten zwischen den Oberflächen) beeinflussen können. Dies kann, wie beim Polieren, von Vorteil sein. Die Reibungsarbeit wird genutzt, um Materialien zu vermischen und zu verbinden, wie beim Reibschweißen. Eine übermäßige Erosion oder Abnutzung der zusammenpassenden Gleitflächen tritt auf, wenn die durch die Reibungskräfte verursachte Arbeit ein unannehmbares Niveau erreicht. Härtere Korrosionspartikel, die sich in der Relativbewegung zwischen zusammenpassenden Oberflächen verfangen (Fretting), verschlimmern den Verschleiß durch Reibungskräfte. Wenn Oberflächen durch Reibungsarbeit abgenutzt werden, können sich Passform und Oberflächenbeschaffenheit eines Objekts verschlechtern, bis es nicht mehr richtig funktioniert. So kann beispielsweise ein Festfressen oder Versagen eines Lagers durch übermäßigen Verschleiß aufgrund von Reibungsarbeit verursacht werden. ⓘ

Anwendungen

Reibung ist ein wichtiger Faktor in vielen technischen Disziplinen. ⓘ

Verkehrswesen

• Autobremsen sind von Natur aus auf Reibung angewiesen, denn sie verlangsamen ein Fahrzeug, indem sie dessen kinetische Energie in Wärme umwandeln. Eine technische Herausforderung bei der Konstruktion von Bremssystemen besteht darin, diese große Wärmemenge sicher abzuleiten. Scheibenbremsen beruhen auf der Reibung zwischen einer Scheibe und Bremsbelägen, die quer gegen die rotierende Scheibe gepresst werden. Bei Trommelbremsen werden die Bremsbacken oder -klötze nach außen gegen einen rotierenden Zylinder (Bremstrommel) gedrückt, um Reibung zu erzeugen. Da Bremsscheiben effizienter gekühlt werden können als Trommeln, haben Scheibenbremsen eine bessere Bremsleistung.
• Die Schienenhaftung bezieht sich auf die Haftung der Räder eines Zuges auf den Schienen, siehe Reibungsmechanik.
• Straßenglätte ist ein wichtiger Konstruktions- und Sicherheitsfaktor für Kraftfahrzeuge
  • Gespaltene Reibung ist ein besonders gefährlicher Zustand, der durch die unterschiedliche Reibung auf beiden Seiten eines Fahrzeugs entsteht.
  • Die Fahrbahnbeschaffenheit beeinflusst das Zusammenspiel von Reifen und Fahrbahn. ⓘ

Messung

• Ein Tribometer ist ein Instrument, das die Reibung auf einer Oberfläche misst.
• Ein Profilograph ist ein Gerät zur Messung der Oberflächenrauhigkeit von Fahrbahnen. ⓘ

Verwendung im Haushalt

• Reibung wird verwendet, um Streichhölzer zu erhitzen und anzuzünden (Reibung zwischen dem Kopf eines Streichholzes und der Reibfläche der Streichholzschachtel).
• Klebepads werden verwendet, um zu verhindern, dass Gegenstände von glatten Oberflächen abrutschen, indem der Reibungskoeffizient zwischen der Oberfläche und dem Gegenstand effektiv erhöht wird. ⓘ

Reibungsarten

Äußere Reibung

Haftreibung

In vielen Fällen ist Haften zwischen sich berührenden Körpern erwünscht. Ohne Haftreibung würde der Alltag gar nicht funktionieren. Möbel würden nicht an ihrem Platz bleiben, auf der Straße abgestellte Fahrzeuge (die Räder blockiert) könnten allein vom Wind fortbewegt werden. Man könnte keinen Fuß „fest“ auf den Boden setzen, alle angetriebenen Fahrzeugräder würden „durchdrehen“, also keine Traktion ermöglichen. In technischen Anwendungen wird außer der meistens wirkenden Gewichtskraft ein technisch erzeugter Druck zwischen den Kontaktflächen benutzt, zum Beispiel mittels gespannter Federn in einer Reibungs-Kupplung. ⓘ

Haften ist ein Zustand der Ruhe, bei dem die tatsächliche Haftreibungskraft immer entgegengesetzt gleich der Parallelkomponente der äußeren Kraft ist. Es treten weder Verschleiß noch Energieverluste auf. Haften ist eine Kombination von Formschluss im Kleinen, durch Rauheit als Gestaltabweichung 3. bis 5. Ordnung, der bei Bewegung zerstört würde, und molekularem Kraftschluss im Kleinen durch molekulare Anziehungskräfte, also Adhäsion. ⓘ

Rollreibung

Rollreibung entsteht beim Rollen eines Körpers auf einer Unterlage. Im Modell lässt sich die Rollreibung durch die Deformation eines nicht ideal starren Körpers erklären. Die Rollreibung wird durch die dimensionslose Rollreibungszahl beschrieben. Diese ist definiert als Verhältnis der Rollreibungslänge $d$ und dem Radius $R$ des Rollkörpers:

$\mu _{\mathrm {R} }={d \over R}$ ⓘ

Wälzreibung

Überlagern sich Gleit- und Rollreibung, so wird dies als Wälzreibung bezeichnet. Das ist das typische Beschreibungsmodell für Rotationskörper auf einer Bahn, beispielsweise ein Rad auf einer Fahrbahn. ⓘ

Bohrreibung

Bohrreibung entsteht am Auflagepunkt eines sich um die vertikale Achse drehenden Körpers auf einer Ebene. Da die Bohrreibung bei einer rotierenden Bewegung wirkt, wird die Bohrreibung als Drehmoment angegeben:

$M_{\mathrm {B} }=\mu _{\mathrm {B} }\cdot F_{\mathrm {N} }$ ⓘ

Der Koeffizient der Bohrreibung $\mu _{\mathrm {B} }$ hat die Dimension einer Länge und ist als Radius der scheinbaren Auflagescheibe deutbar, also als der resultierende Hebelarm der Flächenmomente. Er lässt sich jedoch im Allgemeinen nicht als Produkt aus einem konstanten mittleren Radius der Auflagefläche und einer Materialkonstanten berechnen. ⓘ

Seilreibung

Die Euler-Eytelwein-Formel beschreibt die Reibung eines um einen runden Körper gelegten Seils, auf das beidseitig Kräfte wirken, und gibt an, unter welchen Bedingungen das Seil haftet. ⓘ

Reibungszustände in der Schmierungstechnik

Die Optimierung von Reibungsvorgängen ist Gegenstand der Tribologie. ⓘ

Bei der Festkörperreibung berühren sich die aufeinander gleitenden Flächen. Dabei werden Oberflächenerhöhungen eingeebnet (Abrieb oder Verschleiß). Bei ungünstiger Werkstoffpaarung und großer Flächenpressung verschweißen die Oberflächen miteinander (Adhäsion). Festkörperreibung tritt beispielsweise bei Verwendung von Trockenschmierstoffen (Graphit, Teflon) auf, wenn kein Schmierstoff verwendet wird oder die Schmierung versagt. Dieser Reibungszustand wird daher auch als Trockenreibung bezeichnet und kann durch Linearkugellager deutlich verringert werden. Nahezu reibungsfreie Bewegungen lassen sich durch eine aerostatische Lagerung (Luftlager) realisieren. ⓘ

Die Mischreibung kann bei unzureichender Schmierung oder zu Beginn der Bewegung zweier Reibpartner mit Schmierung auftreten. Dabei berühren sich die Gleitflächen punktuell. Die Reibungskraft im Mischreibungsbereich ist geschwindigkeitsabhängig und lässt sich an Gleitlagern beobachten. Dabei nimmt die Reibkraft / das Reibmoment mit steigender Gleitgeschwindigkeit ab, bis reine Fluidreibung auftritt und die Reibflächen trennt. Bei weiter steigender Gleitgeschwindigkeit nimmt dann die Reibkraft / das Reibmoment wieder zu. Im Mischreibungsgebiet nimmt der Verschleiß ähnlich mit dem Reibmoment ab, bis die Gleitgeschwindigkeit die nahezu verschleißfreie Fluidreibung erreicht hat. Die Mischreibung ist daher im Dauerbetrieb stets unerwünscht, ist aber manchmal unvermeidlich oder ihre Vermeidung ist so aufwändig, dass die Kosten für Verschleißreparaturen in Kauf genommen werden. ⓘ

Die Fluidreibung tritt dann auf, wenn sich zwischen den Gleitflächen ein permanenter Schmierfilm bildet. Typische Schmierstoffe sind Öle, Wasser aber auch Gase (siehe Luftlager). Die Gleitflächen sind vollständig voneinander getrennt. Die entstehende Reibung beruht darauf, dass die Schmierstoffmoleküle aufeinander gleiten. Damit diese Scherkräfte nur zu einer tragbaren Temperaturerhöhung des Schmierstoffes führen, muss die entstehende Wärme auf geeignete Weise abgeführt werden. Fluidreibung ist der gewünschte Reibungszustand in Lagern und Führungen, wenn Dauerhaltbarkeit, hohe Gleitgeschwindigkeit und hohe Belastbarkeit benötigt werden. Ein wichtiges Beispiel ist die Drucköl-Schmierung der Lagerschalen zwischen Kurbelwelle und Pleuelstange im Automotor (Hydrodynamisches Gleitlager). ⓘ

Der Übergang von der Mischreibung zur Fluidreibung wird durch die Stribeck-Kurve dargestellt, das Minimum von Reibkraft/-moment der Kurve markiert den Übergang zur reinen Fluidreibung. ⓘ

Beispiele für Reibungsvorgänge

• Die innere Reibung von Schüttgut definiert sich über den Schüttwinkel.
• Die Rheologie befasst sich mit Reibung in komplexen Flüssigkeiten, zum Beispiel Polymeren und Dispersionen, zu deren Beschreibung die nichtlinearen Navier-Stokes-Gleichungen nicht ausreichen.
• Nichtlinear ist auch die Reibung, die bei Verformung in Festkörpern auftritt, etwa durch die Gezeitenkraft in Astronomie und die Modellierung relativistischer Effekte.
• Auch zur Beschreibung von umformtechnischen Prozessen werden Stoffgesetze verwendet, die die innere Reibung berücksichtigen. Diese Stoffgesetze werden in der Plastomechanik verwendet.
• Durch Reibung eines Streichholzes auf der dafür vorgesehenen Anstrichfläche entsteht Abrieb von Zündkopf und Fläche. Die in Spuren gebildete Armstrongsche Mischung aus Kaliumchlorat und rotem Phosphor zündet sofort. Es ist nicht geklärt, ob sich durch Reibungswärme ein winziges Hitzezentrum, ein Hot Spot, bildet oder ob der intime Kontakt der beiden Feststoffe ausreicht, um die Reaktion einzuleiten. ⓘ