Reibung und Bremsung

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Reibung ✔ | Statische und dynamische Reibung ✔ | Geschwindigkeit und kinetische Energie ✔ | Bremsweg ✔

Reibung und Bremsung

Reibung

Schema eines Autoreifens (Grip auf der Straße)

Reibung ist eine Kraft, die versucht zu verhindern, dass Materialien frei aneinander gleiten können. Es gibt beispielsweise Reibung zwischen deinen Schuhen und dem Boden, auf dem du gehst. Reibung heizt die beweglichen Teile einer Maschine auf. Um Reibung zu reduzieren, sind Räder auf Kugel- oder Rollenlagern montiert und Öl oder Fett macht die Flächen von zwei beweglichen Teilen gleitfähig.

Reibung ist nicht immer ein Ärgernis. Sie gibt Schuhen und Reifen Halt auf dem Boden und sie ist die Grundlage in den meisten Bremssystemen. Auf einem Fahrrad zum Beispiel werden Gummiblöcke gegen die Felgen gedrückt, um die Drehung des Rades zu verlangsamen.

Statische and dynamische Reibung

Wenn an dem Ziegelstein unten nur leicht gezogen wird, bewegt er sich wegen der Reibung nicht. Wenn die Zugkraft erhöht wird, erhöht sich auch die Reibung, aber nur solange, bis der Block anfängt zu rutschen. Diese Reibung nennt man Anfangsreibung oder statische Reibung. Bei einem Ziegelstein mit höherer Masse wirkt eine größere Gewichtskraft und die Anfangsreibung ist höher. Sobald der Ziegelstein sich zu bewegen beginnt, verringert sich die Reibung: Diese dynamische Reibung ist niedriger als eine statische Reibung.


Statische Reibung ist größer als dynamische Reibung

Dynamische Reibung erhitzt Materialien. Wenn etwas entgegen der Reibungskraft bewegt wird, wird Arbeit geleistet und kinetische Energie wird in thermische Energie umgewandelt. Bremsen eines Autos und andere Maschinen müssen so konstruiert sein, dass sie diese Wärmeenergie abführen. Andernfalls können die beweglichen Teile so heiß werden, dass sie sich festsetzen.


Aerodynamik eines Autos im Windkanal
Luftwiderstand ist eine Form von dynamischer Reibung. Wenn ein Auto schnell fährt, ist es die größte von allen Reibungskäften, die der Bewegung des Autos entgegenwirkt. Der Luftwiderstand kostet Energie, so dass weniger Luftwiderstand einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch bedeutet. Autokarosserien sind speziell geformt, um den Luftstrom an ihnen vorbei zu führen und den Luftwiderstand zu verringern. Eine niedrige Frontfläche hilft ebenfalls, den Luftwiderstand zu verringern.

Geschwindigkeit und kinetische Energie
Damit ein Auto zum Stillstand kommt (seine Geschwindigkeit verliert), muss es seine gesamte kinetische Energie verlieren. Da die kinetische Energie $\scriptsize{\tfrac{1}{2}} \cdot \mathsf{Masse \ \cdot \ Geschwindigkeit^2} \ (\smash{\tfrac{1}{2}}mv^2)$ ist, hat ein Auto mit der doppelten Geschwindigkeit viermal so viel kinetische Energie und benötigt ungefähr das Vierfache des Bremsweges. Es ist die stark erhöhte kinetische Energie, die einen Unfall auf der Autobahn so zerstörerisch macht.


Bremsweg

In einer gefährlichen Situation muss der Fahrer eines Autos schnell reagieren und die Bremsen betätigen. Der Gesamtbremsweg des Autos ergibt sich aus den folgenden Zeiten:

  • der Reaktionsweg - in dieser Zeit fährt das Auto weiter, bevor der Fahrer reagiert und die Bremsen betätigt.
  • der Bremszeit - in dieser Zeit fährt das Auto weiter, während der Fahrer auf die Bremsen tritt und es zum Stehen kommt.

Ein durchschnittlicher Fahrer benötigt etwa eine halbe Sekunde, um zu reagieren und das Bremspedal zu betätigen. Dies nennt man Reaktionszeit des Fahrers. Während dieser Zeit wird das Auto nicht langsamer und je schneller es ist, desto weiter fährt es.

Die folgende Grafik zeigt, wie der Bremsweg von der Geschwindigkeit abhängt:


Reaktionszeit und Bremsweg
Die oben dargestellten Bremswege sind Durchschnittswerte für eine trockene Straße. Wenn die Straße nass oder vereist ist oder das Auto stark beladen ist oder die Reaktionszeit des Fahrers langsam ist, sind die Bremswege länger. Und wenn die Bremsen zu stark betätigt werden, rutscht das Auto.

Aerodynamik eines Autos im Windkanal
Die Frontpartie eines Autos ist eine "Knautschzone", die im Falle eines Unfalls zusammengedrückt wird. Dabei wird beim Aufprall Energie absorbiert und die Gesamtgeschwindigkeit der Insassen verringert. Sicherheitsgurte verhindern, dass die Insassen mit Teilen des Autoinneren zusammenstoßen und Airbags dämpfen die Auswirkungen des Aufpralls weiter.

Fragen

Richtig ist:

  1. Bremsen
  2. Luftwiderstand

Richtig ist:
Sie wird in thermische Energie umgewandelt.

3. Ein Auto fährt mit 30 $\smash {\mathrm{\frac{m}{s}}}$. Plötzlich sieht der Fahrer eine Gefahr und entscheidet sich für eine Notbremsung. Die Reaktionszeit des Fahrers beträgt 0,6 s.

  1. Berechne wie weit das Auto fährt, bevor der Fahrer das Bremspedal betätigt.
  2. Berechne anhand der Grafik oben den Bremsweg des Autos.
  3. Berechne den Bremsweg neu, wenn der Fahrer müde ist und eine Reaktionszeit von 1,2 s hat.
  4. Nenne zwei weitere Faktoren, die den Bremsweg beeinflussen könnten

Richtig ist:

  1. 18 m
  2. 87 m
  3. 105 m
  4. Reaktionszeit des Fahrers, Straßenverhältnisse

Richtig ist:

  1. 50.000 J
  2. 200.000 J

Richtig ist:


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