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Reibungswärme


Physik


Basiswissen


Reibt man die Hände fest gegeneinander, werden sie dadurch deutlich wärmer. Die durch Reibung entstandene Wärme nennt man Reibungswärme. Sie ist manchmal erwünscht und manchmal sehr störend. Das ist hier kurz erklärt.

Physikalische Entstehung


Wärme ist physikalisch die ungeordnete hin-und-her Bewegung der kleinen unsichtbaren Teilchen, aus denen Materie besteht. Soll Wärme erzeugt werden, muss man also die Teilchen dazu bekommen, dass sie sich schneller hin und her bewegen. Bei Reibung werden die Teilchen ständig von außen angestoßen, gedrückt oder gezogen. Dadurch erhalten sie immer einen "Schubs", physikalisch einen Impusl, in irgendeine Richtung. Sie stoßen dann mit anderen Teilchen zusammen. So verbreitet sich die Bewegung über viele Teilchen im Körper. Der Körper fühlt sich dann wärmer an. Physikalisch korrekt ist, dass sich seine Temperatur erhöht. Siehe auch Temperatur und Wärme ↗

Reibung bei Werkzeugen


Drückt man mit einer Bohrmaschine beim Bohren fest in eine fest Wand, dann wird der Bohrkopf so heiß, dass das Metall zu schmelzen beginnt. Aber auch schon bei einer Metallsäge kann man mit der Hand so stark drücken, dass das Sägeblatt spürbar heiß wird. Bei zu viel Temperatur leidet das Metall des Werkzeuges, weshalb in der Metallverarbeitung oft eine Kühlung verwendet wird. Dabei sprüht man zum Beispiel ständig Wasser auf die bearbeitete Stelle. Ein einfacher Versuch dazu steht unter Reibungswärme (Versuch) ↗

Bremsvorgänge


Bremst man ein schnell fahrendes Fahrrad mit Backen- oder Scheibenbremsen schnell ab, erhitzen sich die Bremsen oft so stark, dass das Material schmilzt. Eine Aufgabe der Materialtechnik ist es, hierfür ständig neue Materialien zu entwickeln, die größere Hitzen ohne Schaden aushalten. Schwere Fahrzeuge wie etwa Züge, benutzen oft ein anderes Bremssystem bei dem keine Reibungswärme entsteht, die sogenannte Wirbelstrombremse ↗

Feuersteine


Bis zum Aufkommen von Streichhölzern im 19ten Jahrhundert nutzte man zum Feuermachen Funken. Man benötigt dazu einen festen schweren Schlagstein und dann ein Material, bei dem durch den Schlag Späne abgeschlagen werden. Diese Späne müssen durch die Schlagenergie so aufgeheizt werden, dass sie Funken schlagen. Ein geignetes Paar ist Pyrit zusammen mit einem Feuerstein ↗

Luft- und Raumfahrt


Das Passagierflugzeug Concorde erreichte Geschwindigkeiten bis 2400 km/h. Dabei wurde der Rumpf durch Reibung mit der umgebenden Luft so heiß, dass diese Geschwindigkeiten oft nicht lange geflogen werden konnten. Bei Raumfahrzeugen entsteht vor allem beim Wiedereintritt vom Weltraum in die Erdatmosphäre enorme Reibungswärme. Bei Mach 10 (über 10000 km/h) entstehen an den Vordekanten von Flugkörper Temperaturen bis zu 2000 °C[1].Hitzeschilde sollen diese Wärme vom eigentlichen Raumfahrzeug fernhalten. Die große Reibungswärme gilt als eines der großen Probleme bei der Entwicklung einer sogenannten Hyperschallwaffe ↗

Luftreibungswärme und Geschwindigkeit


Es mag verwundern, dass die bloße Reibung mit Luft zu Temperaturen von über 2000 Grad Celsius führen soll. Das Phänomen wird aber verständlicher, wenn man zwei Dinge beachtet: a) je höher die Geschwindigkeit, desto mehr Kollisionen gibt es in jeder Sekunde, und b) bei jeder Kollision wird auch sehr viel mehr Energie übertragen. Die übertragende Energie hängt quadratisch von der Gechwindigkeit ab. Man hat also am Ende einen dreifachen Effekt: die Reibungswärme steigt also nicht linear mit der Geschwindigkeit sondern kubisch. Zur Berechnung, siehe unter Hitzeschildformel ↗

Fußnoten