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biomechanik:dynamik:dyn06

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biomechanik:dynamik:dyn06 [18.11.2015 09:22] – [Reibungswiderstand] Dario Tokurbiomechanik:dynamik:dyn06 [28.11.2022 00:11] (aktuell) – Externe Bearbeitung 127.0.0.1
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 Als //äußere Reibung// wird der Kontakt zwischen zwei Festkörpern beschrieben und in Haft- und Gleitreibung unterschieden. Versucht man einen ruhenden Körper auf einer Oberfläche zu bewegen, so haftet er zunächst, bis eine gewisse Kraft überschritten wird. Als //äußere Reibung// wird der Kontakt zwischen zwei Festkörpern beschrieben und in Haft- und Gleitreibung unterschieden. Versucht man einen ruhenden Körper auf einer Oberfläche zu bewegen, so haftet er zunächst, bis eine gewisse Kraft überschritten wird.
  
-"Physikalisch betrachtet sind es hemmende Kräfte, die der Bewegung entgegengesetzt sind und stets parallel zur Berührungsfläche wirken" (Wick, 2009, S. 42). Die Reibungskraft ist dabei proportional abhängig von der Gewichtskraft (Normalkraft) die der Körper auswirkt. Weitere Einflussfaktoren spiegelt der Haftreibungskoeffizient ($\mu$) wieder, denn "... er hängt von den Materialien, aus denen die einander berührenden Oberflächen bestehen, sowie von deren Temperaturen ab" (Tipler & Mosca, 2009, S. 137). Dabei kann es sich zum Beispiel um Gummi auf Asphalt, Holz auf Holz oder ähnliches handeln. Eine Skizze soll diesen Sachverhalt näher verdeutlichen:+"Physikalisch betrachtet sind es hemmende Kräfte, die der Bewegung entgegengesetzt sind und stets parallel zur Berührungsfläche wirken" (Wick, 2009, S. 42). Die Reibungskraft ist dabei proportional abhängig von der Normalkraft $F_N$, die immer senkrecht auf der Berührungsfläche steht. Weitere Einflussfaktoren spiegelt der Haftreibungskoeffizient ($\mu$) wieder, denn "... er hängt von den Materialien, aus denen die einander berührenden Oberflächen bestehen, sowie von deren Temperaturen ab" (Tipler & Mosca, 2009, S. 137). Dabei kann es sich zum Beispiel um Gummi auf Asphalt oder Holz auf Holz handeln. Eine Skizze soll diesen Sachverhalt verdeutlichen:
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 Der Unterschied zwischen Haft- und Gleitreibung besteht darin, dass die Gleitreibung auftritt, wenn sich zwei Kontaktflächen relativ zueinander bewegen, während bei der Haftreibung die Kontaktflächen in der Position verharren. Die Gleitreibungskraft ist meist etwas geringer als die Haftreibungskraft. Dieser Sachverhalt soll an einem Beispiel verdeutlicht werden: Der Unterschied zwischen Haft- und Gleitreibung besteht darin, dass die Gleitreibung auftritt, wenn sich zwei Kontaktflächen relativ zueinander bewegen, während bei der Haftreibung die Kontaktflächen in der Position verharren. Die Gleitreibungskraft ist meist etwas geringer als die Haftreibungskraft. Dieser Sachverhalt soll an einem Beispiel verdeutlicht werden:
    
-Wollen wir eine Holzkiste in eine bestimmte Richtung bewegen, so müssen wir eine gewisse Kraft (größer als das Maximum der Haftreibungskraft) aufwenden, bis sich die Kiste in Bewegung setzt. In dem Moment, in der die Bewegung eingeleitet wurde, ist der Kraftaufwand geringer, da sich die Haftreibungskraft verändert hat. Daher fällt es jetzt leichter die Kiste voranzuschieben. Die Ursache liegt daran, weil der Gleitreibungskoeffizient kleiner ist als der Haftreibungskoeffizient.+Wollen wir eine Holzkiste in eine bestimmte Richtung bewegen, so müssen wir eine gewisse Kraft (größer als das Maximum der Haftreibungskraft) aufwenden, bis sich die Kiste in Bewegung setzt. In dem Moment, in der die Bewegung eingeleitet wurde, ist der Kraftaufwand geringer, da sich die Haftreibungskraft verändert hat. Daher fällt es jetzt leichter die Kiste voranzuschieben. Die Ursache liegt daran, dass der Gleitreibungskoeffizient kleiner ist als der Haftreibungskoeffizient.
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 ==== Rollreibung ==== ==== Rollreibung ====
 Beim Fahren mit dem Auto auf der Straße erfährt ein Reifen stets eine Kraft die zur Abnutzung führt. "In der Realität übt die Straße daher auf den Reifen eine Rollreibungskraft $F_{RR}$ aus, die der Bewegung entgegenwirkt" (Tipler & Mosca, 2009, S. 138). Wie zuvor beschrieben wirkt diese Kraft entgegen der Fahrtrichtung, daher stellt sich die Frage wie man die Geschwindigkeit trotz der Reibung halten kann? Beim Fahren mit dem Auto auf der Straße erfährt ein Reifen stets eine Kraft die zur Abnutzung führt. "In der Realität übt die Straße daher auf den Reifen eine Rollreibungskraft $F_{RR}$ aus, die der Bewegung entgegenwirkt" (Tipler & Mosca, 2009, S. 138). Wie zuvor beschrieben wirkt diese Kraft entgegen der Fahrtrichtung, daher stellt sich die Frage wie man die Geschwindigkeit trotz der Reibung halten kann?
  
-Es muss eine zusätzliche Kraft auf das Rad wirken damit die Geschwindigkeit beibehalten werden kann. Dabei ist es entscheidend, dass der Betrag der Kraft (in Fahrtrichtung), gleich dem Betrag der Rollreibungskraft (Kraft von der Straße aufs Rad) beträgt. Dieser Zusammenhang verdeutlicht sich in der letztendlichen Gleichung zur Rollreibung:+Es muss neben der Antriebskraft eine zusätzliche Kraft auf das Rad wirken damit die Geschwindigkeit beibehalten werden kann. Dabei ist es entscheidend, dass der Betrag der Kraft (in Fahrtrichtung), gleich dem Betrag der Rollreibungskraft (Kraft von der Straße auf das Rad) beträgt. Dieser Zusammenhang verdeutlicht sich in der letztendlichen Gleichung zur Rollreibung:
  
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-Der Rollreibungskoeffizient $\mu_{RR}$ gibt dabei das Verhältnis zwischen den Kontaktflächen an. Eine Eisenbahn zum Beispiel hat einen geringeren Rollwiderstand (0,002) im Vergleich zu einem Reifen auf Asphalt (0,02) (vgl. Formel-Sammlung, letzter Zugriff am 23.10.2013). Das bedeutet das eine Eisenbahn weniger Kraft benötigt um die Geschwindigkeit beizubehalten.  \\ \\+Der Rollreibungskoeffizient $\mu_{RR}$ gibt dabei das Verhältnis zwischen der Rollreibungs- und Normalkraft für die betrachteten Kontaktflächen an. Eine Eisenbahn zum Beispiel hat einen geringeren Rollwiderstand (0,002) im Vergleich zu einem Reifen auf Asphalt (0,02). Das bedeutet das eine Eisenbahn weniger Kraft benötigt um die Geschwindigkeit beizubehalten.  \\ \\
 ===== Widerstände ===== ===== Widerstände =====
  
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 ==== Reibungswiderstand ==== ==== Reibungswiderstand ====
  
-Fließt ein Medium (Flüssigkeit oder Gas bzw. Wasser oder Luft) an einem Körper vorbei, so bleibt es, wegen [[https://de.wikipedia.org/wiki/Adh%C3%A4sion|Adhäsion]], an der Oberfläche des Körpers haften. Um den Körper bilden sich Strömungsschichten (Abb.1). Die Geschwindigkeit der ersten anliegenden Schicht (grün) ist nahezu identisch mit der des Körpers, nimmt aber mit steigendem Abstand ab. Grund dafür ist die Reibung zwischen den Schichten. Die Strömung zwischen den Schichten ist entweder turbulent (=Schichten verwirbeln) und hat damit auch eine sehr hohe Reibung oder laminar (=Schichten gleiten 'glatt' nebeneinander), wodurch die Reibung eher gering ist (vgl. Hahn & Strass, 2009, S. 371f)\\+Fließt ein Medium (Flüssigkeit oder Gas bzw. Wasser oder Luft) an einem Körper vorbei, so bleibt es, wegen [[https://de.wikipedia.org/wiki/Adh%C3%A4sion|Adhäsion]] (auch Anhangskraft genannt), an der Oberfläche des Körpers haften. Um den Körper bilden sich Strömungsschichten (Abb.1). Die Geschwindigkeit der ersten anliegenden Schicht (grün) ist nahezu identisch mit der des Körpers. Die Geschwindigkeit der äußeren Schichten nimmt mit steigendem Abstand ab. Grund dafür ist die Reibung zwischen den Schichten. Die Strömung zwischen den Schichten ist entweder turbulent (Schichten verwirbeln) und hat damit auch eine sehr hohe Reibung oder laminar (Schichten gleiten 'glatt' nebeneinander), wodurch die Reibung eher gering ist (vgl. Hahn & Strass, 2009, S. 371f)\\
 **Eine Erklärung zu laminaren und turbulenten Strömungen gibt es unter [[biomechanik:dynamik:dyn07#Exkurs: Strömungen|Exkurs: Strömungen]] im nächsten Modul. ** **Eine Erklärung zu laminaren und turbulenten Strömungen gibt es unter [[biomechanik:dynamik:dyn07#Exkurs: Strömungen|Exkurs: Strömungen]] im nächsten Modul. **
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-$F = \eta \frac{\Delta{ v}}{\Delta{\rho}}A$+$F = \eta \frac{\Delta{ v}}{\rho}A$
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 $\Delta{ v}$ = Differenz in der Geschwindigkeit der Wasserschichten $\Delta{ v}$ = Differenz in der Geschwindigkeit der Wasserschichten
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-$\Delta{ \rho}$ = Differenz in der Dichte des Mediums+$\rho$ = Dichte des Mediums
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 $A$ = Fläche der mit Wasser bedeckten Oberfläche (Wenn das Fluid Wasser ist) $A$ = Fläche der mit Wasser bedeckten Oberfläche (Wenn das Fluid Wasser ist)
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-<html><p align="middle"></html>{{youtube>large:0SH-m8vLrlY|Aeussere Reibung Teil 1}}+<html><p align="middle"></html>{{ youtube>0SH-m8vLrlY?large |Aeussere Reibung Teil 1}}
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-<html><p align="middle"></html>{{youtube>large:yyb04vQ8dc8|Aeussere Reibung Teil 2}}+<html><p align="middle"></html>{{ youtube>yyb04vQ8dc8?large |Aeussere Reibung Teil 2}}
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 </spoiler> </spoiler>
  
-<spoiler |2. Ein Radfahrer bremst in einer Rechtskurve mit dem Hinterrad und kommt ins rutschen. Was passiert mit dem Rad? Antwort> +<spoiler |2. Welche Rückschlüsse für einen Schwimmer lassen sich aus den Parametern für den Formwiderstand gewinnen? In welchen anderen Sportarten bringt eine Reduktion des Formwiderstandes eine Verbesserung? Antwort>
-Das Hinterrad wird (aufgrund der Fliehkraft) nach links ausscheren, so dass das Rad sich nach rechts dreht. +
-</spoiler> +
- +
-<spoiler |3. Welche Rückschlüsse für einen Schwimmer lassen sich aus den Parametern für den Formwiderstand gewinnen? In welchen anderen Sportarten bringt eine Reduktion des Formwiderstandes eine Verbesserung? Antwort>+
 Der einzige Parameter des Formwiderstandes, den der Schwimmer ändern kann, ist die Fläche senkrecht zur Anströmungsrichtung. Will der Schwimmer den Formwiderstand also verkleinern, (kann er natürlich seine Geschwindigkeit verringern, aber er möchte ja wahrscheinlich möglicht schnell sein) sollte er sich möglichst 'flach' im Wasser befinden, sodass sein Körper möglichst parallel zur Strömung ist. So erzeugt er eine möglichst kleine Fläche senkrecht zur Anströmung. Der einzige Parameter des Formwiderstandes, den der Schwimmer ändern kann, ist die Fläche senkrecht zur Anströmungsrichtung. Will der Schwimmer den Formwiderstand also verkleinern, (kann er natürlich seine Geschwindigkeit verringern, aber er möchte ja wahrscheinlich möglicht schnell sein) sollte er sich möglichst 'flach' im Wasser befinden, sodass sein Körper möglichst parallel zur Strömung ist. So erzeugt er eine möglichst kleine Fläche senkrecht zur Anströmung.
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 </spoiler> </spoiler>
  
-<spoiler |4. Bei einem Auto werden zwei neue Räder montiert, da ein Reifen defekt war. Wo sollten die neuen Räder montiert werden: vorn oder hinten? Antwort> +<spoiler |3. Bei einem Auto werden zwei neue Räder montiert, da ein Reifen defekt war. Wo sollten die neuen Räder montiert werden: vorn oder hinten? Antwort> 
-Die Räder sollten hinten montiert werden, um so bei nasser Fahrt ein ein Ausscheeren zu vermeiden. +Die Räder sollten hinten montiert werden, um so bei nasser Fahrt ein Ausscheeren zu vermeiden. 
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-Eine Erklärung auf Englisch: http://blog.allstate.com/new-tires-rear/?cid=CSY-PB-BLOG&att=OB_New-Tires-To-The-Rear+Eine Erklärung auf Englisch findet Ihr unter dem folgenden Link oder im folgenden Video:\\ http://blog.allstate.com/new-tires-rear/?cid=CSY-PB-BLOG&att=OB_New-Tires-To-The-Rear 
 + 
 +{{ youtube>endLPwy3cQc?large |Two Tire Rotation - YouTube }}
 </spoiler> </spoiler>
  
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 Tipler, P. A. & Mosca, G. (2009). //Physik - für Wissenschaftler und Ingenieure//. 6. deutsche Auflage. Heidelberg: Spektrum Adademischer Verlag. Tipler, P. A. & Mosca, G. (2009). //Physik - für Wissenschaftler und Ingenieure//. 6. deutsche Auflage. Heidelberg: Spektrum Adademischer Verlag.
  
-=== Verbesserung des Wiki-Moduls === 
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-^ Datum ^ Bewertung ^ durch... ^ Überarbeitung | 
-^ 15. Nov. 2012 | 3.6/5 Punkte | Studenten in VL Biomechanik WS12/13 | | 
-^ 27. Nov. 2012 | 3.3/5 Punkte | Studenten im PS Biomechanik WS12/13 | 29.01.2013 | 
-^ 13. Mai 2013 | 3,24/5 Punkte | Studenten im PS Biomechanik SS 13   | notwendig | 
-^ Dez. 2013 | 3.71/5 Punkte | Studenten im PS Biomechanik WS13/14 | nicht notwendig | 
-^ Mai 2014 | 'Reibungswiderstand' überarbeitet von Franziska | | | 
-^ Mai 2014 | 4.1/5 Punkte | Studenten im PS Biomechanik SS14 | nicht notwendig | 
-^ 10. Juni 2015 | Erstellung: Neues Tutorial | Filip Cengic | 
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-<spoiler|Habt ihr Vorschläge zur Verbesserung des Wiki-Moduls?>  
-**Feedback zum Wiki-Modul DYN6** 
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-1) Allgemeine Einschätzung des Moduls (z.B. was hat gefallen?): 
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-2) Korrekturwünsche und Anregungen:  
- 
-Feedback bitte an [[:team|unser Team]] schicken. 
-</spoiler> 
  
 {{tag> Dynamik Reibung "Äußere Reibung" Haftreibung Gleitreibung Rollreibung "Innere Reibung" Viskosität Kohäsion Adhäsion Reibungskoeffizient "Widerstand" Formwiderstand Wellenwiderstand Luftwiderstand"}} {{tag> Dynamik Reibung "Äußere Reibung" Haftreibung Gleitreibung Rollreibung "Innere Reibung" Viskosität Kohäsion Adhäsion Reibungskoeffizient "Widerstand" Formwiderstand Wellenwiderstand Luftwiderstand"}}
biomechanik/dynamik/dyn06.1447834971.txt.gz · Zuletzt geändert: 28.11.2022 00:05 (Externe Bearbeitung)

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