Reibungskoeffizient
Physikalische Bedeutung
Der Reibungskoeffizient (Formelzeichen µ, dimensionslos) ist ein Maß dafür, wie groß die Reibkräfte sind, die zwischen zwei Festkörpern wirken. Die Angabe eines Reibungskoeffizienten setzt voraus, dass die Art der Reibung als Coulombsche Reibung betrachtet wird, d. h. es gibt einen Wert für die Haftreibung (wenn keine Relativbewegung zwischen den Reibflächen besteht) und einen Wert für die Gleitreibung, wenn sich die Flächen relativ zueinander bewegen. Der Gleitreibungsbeiwert ist dabei unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit und damit konstant. In der Praxis ist eine entsprechende Temperatur-, Geschwindigkeits- und Druckabhängigkeit zu erkennen, welche auf einen Einfluß der Oberflächenänderung und Beschaffenheit der niemals ideal ebenen Fläche hindeutet (aber nicht auf den Reibwert selbst) und damit die Materialeigenschaft scheinbar beeinflusst.
Gemessen wird der Reibungskoeffizient an polierten Oberflächen ohne mechanische Verzahnung. Ausschlaggebend sind die Adhäsions- und Kohäsionskräfte zwischen den Materialien. Es bilden sich je nach Material Van der Waalskräfte oder in polarisierten Werkstoffen Wasserstoffbrücken ähnliche Kräfte zwischen den Oberflächen. An höchsten ist die Werkstoffhaftung ist ionischen Werkstoffen wie z.B. Kochsalz.
Bekannte Irrtümer
Der Wert für µ kann dabei theoretisch beliebige Werte zwischen 0...
annehmen. Gelegentlich wird behauptet, dass µ < 1 gelten müsse. Die folgende Tabelle soll diese Behauptung widerlegen:
| Stoff | Haftreibung | Gleitreibung |
|---|---|---|
| Stahl zu Stahl | 0,08-0,25 | 0,06-0,20 |
| Aluminium zu Aluminium | 1,05 | 1,04 |
| Nickel zu Nickel | 1,5 | 1,2 |
| NaCl zu NaCl | 4,5 | 0,9 |
Ein Koeffizient von 1 entspricht einem Reibkegel von 45°. Der Reibungskoeffizient ist nur definiert zwischen zwei Reibpartnern, die aus dem selben oder unterschiedlichem Material bestehen können.
Die Reibung von Reifengummi auf Asphalt wird zwar näherungsweise mit der Coulombschen Reibung beschrieben, bei genauerer Betrachtung handelt es sich jedoch nicht um diese Form der Reibung, da eine Verzahnung von Gummi und Fahrbahn eintritt. Die eingesetzte Gummimischung ist abhängig von der Belastung und damit der Temperaturentwicklung des Reifens. Reifen mit größerer Auflagefläche haben im allgemeinen weichere Gummimischungen mit höherem Reibkoeffizienten insbesondere im Gleitreibungsbereich, die z.B. kürzere Bremswege erlauben. Die Verzahnung ist abhängig von der Flächenpressung und der Oberflächengeometrie. Dieses kann bei sehr rauhen Oberflächen dazu führen, das hochbelastete Systeme mit kleineren Auflageflächen höheren Reibkoeffizienten im Haftreibungsbereich aufbauen.
Geometrische Interpretation
Man kann µ auch als Tangens des kleinsten Winkels φ betrachten, bei dem ein Körper auf einer geneigten Ebene nach unten rutschen würde. Es gilt µ = tan(φ).
Innerhalb dieses Reibkegels sind Systeme auch bei Belastung stabil (z.B. Leiter auf Untergrund)und werden als selbsthemmend bezeichnet, außerhalb des Reibkegels ist eine Verschiebung möglich. Relevante technische Systeme sind z.B. Schneckengetriebe, die in Abhängigkeit der Schraubensteigung, der Materialpaarung und der Schmierverhältnisse selbsthemmend oder beweglich sind.