Physik - Zugkraft - Reibung

Wieso kann eine Lokomotive, die doch selbst nur um die 100 to wiegt, Waggons ziehen, die ein Vielfaches dieses Gewichts ausmachen?
Eigentlich müßten doch die Räder der Lok durchdrehen, oder?

Physikalische Grundlagen zur Bewegung einer Lokomotive und der ihr angehängten Lasten.

Teil 1 - Reibung.

Reibung, die auch Friktion genannt wird, spielt bei der Bewegung eines Schienenfahrzeuges eine entscheidende Rolle. Diese Reibung tritt immer zwischen zwei Körpern auf, im Fall eines Schienenfahrzeuges also zwischen Rad und Schiene.

Diese Reibungskräfte verhindern die gegenseitige Bewegung der beiden Körper und sind mathematisch mit dem Reibungskoeffizienten beschrieben, wobei dieser Koeffizient keine Materialkonstante ist, sondern lediglich eine Rechengröße in einem Modellansatz. Den Reibungskoeffizienten beeinflusst neben dem Material der Körper auch die Oberflächenbeschaffenheit dieser. Man muss für Körper mit einer rauen Oberfläche mehr Kraft aufwenden, um diese relativ zu einander zu bewegen, als bei Körpern mit glatter Oberfläche. Raue Oberflächen sind mikroskopisch gesehen in einander verhakt und ideal glatte Oberflächen kann es nicht geben.

Eine glättende Wirkung können jedoch Flüssigkeiten zwischen den Körpern haben. Sie legen sich dabei in die kleinen „Täler” der Oberflächen und füllen diese aus. Es entsteht eine Trennschicht, auch Schmierung oder Schmierfilm genannt.

Ist die Bewegung zwischen den Körpern einmal in Gang gekommen, sind weniger Kräfte für das Aufrechterhalten der Bewegung nötig, als zu Beginn. Deshalb muss man zwischen Haft- und Gleitreibung unterscheiden.

Ein Beispiel dafür:

Man setzt einen Menschen mit einem Gewicht von 100kg auf ein Holzbrett, welches dann über den Boden gezogen werden soll. Das Gewicht des Menschen wirkt auf die beiden Körper die zueinander bewegt werden sollen (Fussboden und Holzplatte + Mensch) und hat eine maximale Reibungskraft zufolge, die die beiden Körper „festhält”. Um nun, den für die Berechnung der benötigten Zugkraft notwendigen Reibungskoeffizienten zu ermitteln werden die beiden Kräfte in's Verhältnis gesetzt.

Der Reibungskoeffizient wird dabei in „µ” angegeben und ist abhängig von den Reibpartnern, der Umgebung (Temperatur etc.) und den Stoffen zwischen den Partnern (Öl, etc.). Das Ganze bedeutet dann für unser Beispiel, dass bei einer Gewichtskraft von 1000N mehr als 200N Kraft aufgewendet werden muss um die Holzplatte mit dem Menschen in Gang zu setzten.

Ist die Bewegung einmal in Gang gekommen entsteht durch die Reibung Wärme und Abtrieb bzw. Verschleiß. Da bei Lokomotiven bzw. Schienenfahrzeugen allgemein die Reibung sehr gering ist, werden sogenannte Sandstreuer, auch Besandungsanlagen genannt, eingesetzt um die Reibung zu erhöhen. Diese Anlagen streuen dabei Sand zwischen Räder und Schiene.

  erstellt: 02.02.2023      Josef Thelen