In diesem Teil des Kinetik-Skripts wollen wir uns ansehen, wie man die Reibarbeit berechnen kann. Hier handelt es sich um die Energie, die aufgewendet werden muss, um den Reibwiderstand zu überwinden. Doch fangen wir ganz am Anfang an und sehen uns zunächst die Grundlagen der Reiberarbeit an.

Reibung & Reibarbeit

Gemäß Trägheitsgesetz bewegt sich ein Körper solange gleichförmig weiter, bis auf ihn eine Kraft einwirkt. Der Energieerhaltungssatz besagt, dass in einem geschlossenen System keine Energie verloren geht. Dieser Theorie stehen unsere täglichen Erfahrungen entgegen. So bleibt beispielsweise ein angestoßenes Spielzeugauto auf gerader Fläche irgendwann stehen. Es muss also eine Kraft existieren, die der gleichförmigen Bewegung des Autos entgegensteht und genau so viel Arbeit verrichtet, dass der Energieerhaltungssatz immer noch Gültigkeit besitzt.

Reibung zwischen zwei Körpern

Diese Kraft ist die Reibung, die zugehörige Arbeit* Reibungsarbeit, oder kurz Reibarbeit. Um letztendlich die Reibungsarbeit berechnen zu können, ist zunächst die Berechnung der Reibungskraft bedeutsam.

Reibungskraft

Die Reibkraft ist die Kraft, die der Bewegung eines Körpers entgegenwirkt. Sie tritt immer dann auf, wenn sich zwei Körper an ihren Oberflächen berühren und gegeneinander bewegen oder wenn sich ein Körper durch ein Gas oder durch eine Flüssigkeit bewegt. Reibungskräfte wirken bezüglich ihrer Berührungsflächen stets parallel.

Reibungszahl

Die Reibungszahl gibt an, wie hoch die Reibung zwischen zwei Körpern ist. So ist die Reibungszahl rollender Körper kleiner als aneinander gleitender Körper. Ist die Reibungszahl kleiner als 1, ist davon auszugehen, dass die Reibungskraft geringer als die Gewichtskraft ist. In dem Fall ist weniger als die gesamte Gewichtskraft erforderlich, um den Körper in Bewegung zu versetzen.

Die Formel, nach der die Reibungskraft auf einer geraden Ebene berechnet wird, lautet:

F_R -  Reibungskraft in Newton [ N ]
F_N - Normalkraft [ N ]
μ_G – (Gleit-)Reibungszahl (einheitenlos)

Es sei hier jedoch darauf hingewiesen, dass es weitere Arten der Reibung gibt, die auf andere Weise berechnet werden (z.B. Seilreibung, Rollreibung usw.)

Die Reibungskraft einer Masse m berechnen

Die Reibungsarbeit berechnen

Sobald sich ein Körper auf einer Unterlage bewegt, hemmt die Reibung, auch Reibkraft genannt, die Bewegung. Es wird Reibungsarbeit verrichtet. Anders als Spann- oder Hubarbeit wird die Energie bei der Reibungsarbeit nicht gespeichert, sondern es entsteht Wärme (thermische Energie). Um Reibungsarbeit berechnen zu können, muss neben der Reibungskraft die Reibungszahl bekannt sein.

Weil die Arbeit aus Weg multipliziert mit der Kraft resultiert, lässt sich die Reibungsarbeit berechnen, indem man die Reibungskraft mit dem Weg multipliziert.

W -  Reibungsarbeit in Newton-Meter [ Nm ]
F_R -  Reibungskraft in Newton [ N ]
F_N - Normalkraft [ N ]
s - Wegstrecke in Meter [ m ]
μ_R - Reibungszahl (einheitenlos)

Sehr kleine, zahlenmäßig nur schwer erfassbare Reibungskräfte bedürfen in der Physik oft keiner Berechnung, sondern werden vernachlässigt.

Berechnung der Reibungsarbeit

Reibungsverluste

Reibungsverluste sind Energieverluste. Sie resultieren aus der Umwandlung von kinetischer Energie in Reibungsenergie (Wärmeenergie) infolge der Reibung. Diese Umwandlung ist unumkehrbar. Deshalb muss bei Energiebetrachtungen die verlorene Energie berücksichtigt werden. So muss beispielsweise bei der technischen Auslegung von Maschinen und Fahrzeugen der Energieverlust durch die Antriebseinheit ausgeglichen und die Reibwärme so abgeführt werden, dass das technische System keinen Schaden nimmt.

Soweit zu den Basics, mit denen wir die Reibungsarbeit berechnen können. Auch wenn diese Art der mechanischen Arbeit* in Übungsaufgaben häufig vernachlässigt wird, stellt sie in der Realität eine bedeutende Größe dar.