Haftreibung ist eine Kraft, die der Bewegung zweier Objekte gegeneinander entgegenwirkt, wenn sich die Objekte zunächst in Ruhe befinden. Ein einfaches Beispiel ist ein Holzblock, der auf einer Rampe sitzt – eine Kraft muss aufgebracht werden, damit der Block die Rampe hinunterrutscht. Ein anderer Begriff, Gleitreibung, bezeichnet die Kraft, die sich bereits gegeneinander bewegenden Objekten entgegenwirkt. Die Stärke dieser Kräfte kann berechnet werden und wird als Reibungskoeffizient bezeichnet. In realen Situationen wird festgestellt, dass der Haftreibungskoeffizient fast immer größer ist als der für die kinetische, aber in sorgfältig kontrollierten Experimenten, bei denen die Oberflächen der Objekte gründlich gereinigt wurden, sind beide im Allgemeinen gleich.
Wenn die auf ein Objekt auf einer Oberfläche ausgeübte Kraft zunimmt, wird die Haftreibungskraft normalerweise anfangs entsprechend ansteigen, so dass sich das Objekt nicht bewegt. Ab einem bestimmten Punkt beginnt sich das Objekt jedoch zu bewegen, und an diesem Punkt sinkt die Reibungskraft, so dass weniger Kraft erforderlich ist, um das Objekt in Bewegung zu halten. Zum Beispiel kann die Reibungskraft der aufgebrachten Kraft bis zu 50 Newton entsprechen – die Kraft wird in Newton (N) gemessen – aber danach kann sie auf 40 N abfallen. Daher ist eine Kraft von etwas über 50 N erforderlich, um das Objekt zu erreichen bewegt, aber danach reichen knapp über 40 N aus.
Berechnung des Koeffizienten
Haftreibungskoeffizienten können für jedes feste Material oder Materialpaar berechnet werden. Ein Koeffizientenwert könnte daher für Holz auf Holz, Stahl auf Stahl oder Stahl auf Holz gelten. Eine Möglichkeit, den Wert für ein Materialpaar zu berechnen, besteht darin, einen Block des einen Materials auf eine Rampe aus dem anderen zu legen – für ein einzelnes Material würden Block und Rampe aus dem gleichen Material bestehen. Das Gefälle auf der Rampe wird allmählich erhöht, bis der Block nach unten rutscht. Aus dem Winkel, unter dem dies geschieht, kann dann der Haftreibungskoeffizient berechnet werden.
Der Koeffizient erhält, wenn er in Formeln und Gleichungen verwendet wird, das Symbol μ – der griechische Buchstabe mu. Zur Unterscheidung der beiden wird üblicherweise ein Index verwendet: μs steht für Haftreibung, während μk für Gleitreibung steht. Beispielsweise beträgt der μs für Stahl auf Stahl 0.74, während der μk für dieses Material 0.57 beträgt. Diese Werte gelten für typische Situationen im wirklichen Leben und können je nach Umständen geringfügig abweichen. Da der μs-Wert durch Oberflächenunebenheiten, Schmutz und Spuren anderer Stoffe beeinflusst werden kann, gilt der μk-Wert als genauer und wird üblicherweise angegeben, wenn ein einfacher Reibungskoeffizient benötigt wird.
Faktoren, die die Reibung beeinflussen
Zur Haftreibung tragen mehrere Faktoren bei, aber in der Regel ist die Rauheit der Oberflächen der wichtigste. Auch beim Glätten unterscheiden sich unterschiedliche Materialien in den feinen Details ihrer Oberflächen. In der Praxis ist keine Oberfläche vollständig glatt, aber einige weisen größere Unregelmäßigkeiten auf als andere. Der Unterschied ist in einigen Fällen offensichtlich: Beispielsweise hat ein Seidentuch eine sehr glatte Textur, die weniger Reibung erzeugt, während eine trockene Asphaltstraße grob ist und mehr Bewegungswiderstand erzeugt. Andere Faktoren umfassen elektrostatische Anziehung und die Arten schwacher chemischer Bindungen, die sich zwischen Oberflächen bilden können.
Beispiele
Viele Menschen kennen die Haftreibung, da sie ihr fast täglich begegnen; zum Beispiel ist es bei der Arbeit, wenn jemand ein Buch über einen Tisch schiebt. Anfangs muss ein wenig Kraft aufgewendet werden, um das Buch in Bewegung zu setzen, aber sobald es sich bewegt, kommt die Gleitreibung ins Spiel, und es ist weniger Kraftaufwand erforderlich, um es zu bewegen. Die erforderliche Kraft kann je nach den Umständen variieren. Wenn ein Buch beispielsweise einen Bibliotheksdeckel hat und es feucht wurde, erfordert das nasse Buch mehr Kraft zum Bewegen, während ein brandneues Taschenbuch sehr leicht über einen trockenen Holztisch mit lackierter Oberfläche gleiten kann.
Tabellen mit statischen und kinetischen Reibungskoeffizienten sind für viele gängige Materialien und Kombinationen davon verfügbar. Ein höherer Wert zeigt eine größere Reibung an, sodass mehr Kraft aufgebracht werden muss, um eine Bewegung zu bewirken. Beispielsweise beträgt der μs für Aluminium auf Aluminium 1.05 – 1.35, was sehr hoch ist, während der Wert für Polytetrafluorethylen (PTFE) auf PTFE mit 0.04 extrem niedrig ist und es sehr rutschig macht. Aufgrund der absichtlichen Reibung zwischen den Reifen und dem Boden ist es schwierig, ein stehendes Auto in Bewegung zu setzen; Dies ermöglicht dem Fahrer mehr Kontrolle und verringert die Wahrscheinlichkeit, dass das Auto ins Schleudern kommt.
Berechnung des Bremswegs
Ein Beispiel für die Anwendung von Haftreibung ist die Berechnung des Bremswegs für ein Auto bei einer bestimmten Geschwindigkeit und unter bestimmten Bedingungen. Unter normalen Umständen, wenn sich die Reifen auf der Straße drehen, gilt eher statische als kinetische Reibung. Der µs für einen trockenen Reifen auf trockener Straße beträgt etwa 1.00, während der Wert für einen nassen Reifen auf nasser Straße nur 0.2 beträgt – das bedeutet, dass der Bremsweg bei Nässe fünfmal größer ist. Bei trockenen Bedingungen hat ein Auto, das mit 31 km/h fährt, einen Bremsweg von 50 Fuß (33 Meter), während der Bremsweg bei Nässe 10 Meter betragen würde. Wenn die Reifen auf der Oberfläche gleiten und nicht rollen – wie dies bei eisigen Bedingungen der Fall sein kann – ist die Gleitreibung wichtig.