Die Reibung – Fluch und Segen zugleich

Die Reibung – Fluch und Segen zugleich
Vorarbeiten bis zur Gruppenarbeit!
Motivation: „Klebe“ einer/m Schüler/in einen Löffel an die Nase.
Warum hält der Löffel? 1
Erarbeitung der Begriffe „Reibung“ und „Reibungskraft“:
Reibung:
Der Vorgang bei dem Reibungskräfte entstehen.
Reibungskräfte:
bewegungshemmende Kräfte
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http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fi62.photobucket.com%2Falbums%2Fh102%2FSchnullerkiller00%2FKopievonPICT0425.jpg&imgrefurl=http%3A%2F%2Fschnullerkiller.blogspot.com%2F2009_07_01_archive.html&h=400&w=30
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Grund für die Existenz von Reibung:
Die Oberfläche jedes Körpers besitzt Unebenheiten.
2
Voraussetzung für Reibungskräfte:

Körper und eine Auflagefläche die sich berühren.

Eine Antriebskraft, die parallel zu Auflagefläche wirkt.

Eine Anpresskraft (Normalkraft), die senkrecht zur Auflagefläche wirkt.
Erklärung der Reibung am Modell:
Die Oberflächen des Körpers und der Auflagefläche verhaken und verzahnen sich. Bei Bewegung verformen
sich die Unebenheiten und brechen eventuell sogar ab. An manchen Stellen kommen sich der Körper und die
Auflagefläche so nahe, dass anziehende Kräfte zwischen ihren Teilchen, sogenannte Adhäsionskräfte, wirken.
Auf dem Foto rechts kann man benutztes Schleifpapier
erkennen (vorher Schleifpapier am Holzquader reiben). Dient
zu Verdeutlichung von Abrieb durch Reibung.
Marbles (Gummiteile) nach einem Formel 1 Rennen (als Praxisbezug):
2
Bild Unebenheiten von Oberflächen
http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fwww.almasima.eu%2Fattachments%2FImage%2FBleikondensator.jpg&imgr
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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ABB. – Formel 1: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/2010_Malaysian_GP_opening_lap.jpg - entnommen am 07.06.2015
Erarbeitung der möglichen Abhängigkeiten der Reibungskraft in Gruppenarbeit:

Geschwindigkeit des Körpers

Größe der Auflagefläche

Größe der Anpresskraft

Materialpaar
Jetzt kann die Gruppenarbeit erfolgen!
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
Versuch 1
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
Material
1 Kraftmesser
1 Holzquader
Durchführung 1. Justiere zunächst den Kraftmesser (Einstellung des Nullpunktes)
2. Ziehe den Holzquader mit einer bestimmten Geschwindigkeit über Deinen Tisch und notiere
die von dem Kraftmesser angezeigte Kraft.
3. Wiederhole den Versuch mit anderen Geschwindigkeiten.
Erwartungen
Beobachtung
Erklärung
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
Versuch 1
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
Material
1 Kraftmesser
1 Holzquader
Durchführung 1. Justiere zunächst den Kraftmesser (Einstellung des Nullpunktes)
2. Ziehe den Holzquader mit einer bestimmten Geschwindigkeit (aber gleichförmig, d.h. die Geschwindigkeit ist konstant) über Deinen Tisch und notiere die von dem Kraftmesser angezeigte Kraft.
3. Wiederhole den Versuch mit anderen Geschwindigkeiten.
Erwartungen
SS erwarten dass die Reibungskraft von der Geschwindigkeit abhängt
Beobachtung
Der Betrag der Gleitreibungskraft ist nahezu unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit des Holzquaders.
Erklärung
Unterschiedliche Geschwindigkeiten verändern nicht wesentlich die Anzahl und die Beschaffenheit der
gemeinsamen Kontaktstellen von Holzquader und Tisch. Somit hat die Geschwindigkeit keinen Einfluss
auf die Reibungskraft.
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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Abhängigkeit vom Materialpaar
Versuch 2
Abhängigkeit vom Materialpaar
Material
1 Kraftmesser
1 Holzquader
Vorder- (Plastik) und Rückansicht (Filz) des Versuchsquaders
Durchführung 1. Justiere zunächst den Kraftmesser (Einstellung des Nullpunktes)
2. Wähle ein Auflagefläche (Tisch, Teppich, Fließen, Linoleum) für den Holzquader.
3. Ziehe den Holzquader mit einer konstanten Geschwindigkeit über Deinen Tisch und notiere
die von dem Kraftmesser angezeigte Kraft.
4. Wiederhole den Versuch mit den anderen Auflageflächen.
Erwartungen
Beobachtung
Erklärung
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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Abhängigkeit vom Materialpaar
Versuch 2
Abhängigkeit vom Materialpaar
Material
1 Kraftmesser
1 Holzquader
Vorder- (Plastik) und Rückansicht (Filz) des Versuchsquaders
Durchführung 1. Justiere zunächst den Kraftmesser (Einstellung des Nullpunktes)
2. Wähle ein Auflagefläche (Tisch, Teppich, Fließen, Linoleum) für den Holzquader.
3. Ziehe den Holzquader mit einer konstanten Geschwindigkeit über Deinen Tisch und notiere
die von dem Kraftmesser angezeigte Kraft.
4. Wiederhole den Versuch mit den anderen Auflageflächen.
Erwartungen
Die Schüler wissen aus ihrer Erfahrung, um das Verschieben eines Schrankes zu erleichtern kann ein
Filz untergelegt werden damit die Reibungskraft verringert wird.
Beobachtung
Die Reibungskraft ist vom Materialpaar anhängig.
Erklärung
Je nach Art des Materialpaares ändern sich Anzahl und Beschaffenheit der Kontaktstellen des
Holzquaders mit der Auflagefläche. Somit ändert sich auch der Betrag der Reibungskraft. Je rauer die
Oberflächen sind, umso häufiger und stärker treten die Verzahnungen der beiden Körper auf. Die
bewegungshemmenden Kräfte werden also größer.
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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Abhängigkeit von der Anpresskraft
Versuch 3
Abhängigkeit von der Anpresskraft
Material
1 Kraftmesser
1 Plastikquader
mehrere Schlitzgewichte
Durchführung 1. Justiere zunächst den Kraftmesser (Einstellung des Nullpunktes)
2. Ziehe den Plastikquader mit einer konstanten Geschwindigkeit über Deinen Tisch und notiere
die von dem Kraftmesser angezeigte Kraft in einer Tabelle.
3. Lege nun ein Schlitzgewicht auf den Plastikquader.
4. Wiederhole den Versuch.
5. Werte am Ende die Versuchsreihe die grafisch aus.
Erwartungen
Beobachtung
Erklärung
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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Abhängigkeit von der Anpresskraft
Versuch 3
Abhängigkeit von der Anpresskraft
Material
1 Kraftmesser
1 Plastikquader
mehrere Schlitzgewichte
Durchführung 1. Justiere zunächst den Kraftmesser (Einstellung des Nullpunktes)
2. Ziehe den Plastikquader mit einer konstanten Geschwindigkeit über Deinen Tisch und notiere
die von dem Kraftmesser angezeigte Kraft in einer Tabelle.
3. Lege nun ein Schlitzgewicht auf den Plastikquader.
4. Wiederhole den Versuch.
5. Werte am Ende die Versuchsreihe die grafisch aus.
Erwartungen
Die Reibungskraft ist anhängig von der Anpresskraft.
Die SS wissen zum Beispiel vom Schlitten ziehen, dass es umso schwerer fällt den Schlitten zu ziehen
umso mehr Personen auf dem Schlitten sitzen bzw. umso schwerer die Person ist, die auf dem Schlitten
sitzt.
Beobachtung
Die Reibungskraft ist direkt proportional zur Anpresskraft, da die Bildpunkte der Messwertpaare auf
eine Ursprungshalbgeraden liegen.
Erklärung
Durch die Vergrößerung der Anpresskraft treten die Verzahnungen häufiger und verstärkt auf. Somit
steigt die Reibungskraft.
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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Abhängigkeit von der Größe der Auflagefläche
Versuch 4
Abhängigkeit von der Größe der Auflagefläche
Material
1 Kraftmesser
1 Plastikquader
Vorder-, Seiten- und Rückansicht des Versuchsquaders
Durchführung 1. Justiere zunächst den Kraftmesser (Einstellung des Nullpunktes)
2. Wähle aus Breitseite, Stirnseite und Schmalseite des Quaders die Kontaktfläche mit dem Tisch aus
3. Ziehe den Holzquader mit einer konstanten Geschwindigkeit über Deinen Tisch und notiere
die von dem Kraftmesser angezeigte Kraft.
4. Wiederhole den Versuch mit den beiden noch fehlenden Kontaktseiten.
Erwartungen
Beobachtung
Erklärung
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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Abhängigkeit von der Größe der Auflagefläche
Versuch 5
Abhängigkeit von der Größe der Auflagefläche
Material
1 Kraftmesser
1 Plastikquader
Vorder-, Seiten- und Rückansicht des Versuchsquaders
Durchführung 1. Justiere zunächst den Kraftmesser (Einstellung des Nullpunktes)
2. Wähle aus Breitseite, Stirnseite und Schmalseite des Quaders die Kontaktfläche mit dem Tisch aus
3. Ziehe den Holzquader mit einer konstanten Geschwindigkeit über Deinen Tisch und notiere
die von dem Kraftmesser angezeigte Kraft.
4. Wiederhole den Versuch mit den beiden noch fehlenden Kontaktseiten.
Erwartungen
SS erwarten, dass bei kleinerer Kontaktfläche auch die Reibungskraft geringer ist.
Beobachtung
Die Reibungskraft ist unabhängig von der Größe der Kontaktfläche.
Erklärung
Bei einer Vergrößerung der Kontaktfläche nimmt die Anzahl der Verzahnungen zu. Gleichzeitig verteilt
sich die konstante Gewichtskraft des Holzquaders auf eine größere Fläche. Die Verzahnungen werden
somit nur noch mit einer geringeren Kraft ineinander gedrückt. Z.B. eine Verdopplung der Fläche hätte
eine Halbierung der Anpresskraft pro Fläche zur Folge.
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MINT Bayern, Michaela Weiß
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Nach der Gruppenarbeit zu erledigen!
Die Ergebnisse der einzelnen Gruppen werden zusammengeführt und im Heft fixiert.
Als Gesamtergebnis wird die Formel für die Reibungskraft eingeführt mit der neuen Größe „Reibungskoeffizient“ bzw.
„Reibungszahl“ als Proportionalitätskonstante. Auch werden verschiedene Eigenschaften dieser neuen Größe festgehalten
wie z.B. ist ein reiner Zahlwert (besitzt keine Einheit), ist eine charakteristische Größe für ein bestimmtes Materialpaar,
für bestimmte Stoffpaare kein exakter Wert möglich (z.B. für Holz/Holz: wegen verschiedener Holzarten, nasses oder
trockenes Holz, gelagertes oder „frisches“ Holz, Ast im Holz, …)
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MINT Bayern, Michaela Weiß