Modellexperiment und experimentelle Untersuchung zur modernen mikroskopischen Theorie des Phänomens "Reibung"

Abstract

Bei der Reibung (im speziellen der Gleitreibung) handelt es sich um ein aus dem Alltag bestens bekanntes Phänomen, welches jedoch lange Zeit auf der mikroskopischen Ebene kaum untersucht und verstanden wurde. Die ersten Modellvorstellungen zur Reibungsentstehung gehen auf Coulomb zurück, der die Reibungskraft auf die Verzahnung von Mikrorauigkeiten der aneinander berührenden Oberflächen zurückführte. Dieses Modell findet sich auch heute noch in zahlreichen Schulbüchern wieder, obgleich bereits eine einfache Überlegung zeigt, dass die "Verzahnung" alleine die Energiedissipation und damit die Gleitreibung nicht erklären kann!

Das heutige Verständnis geht davon aus, dass die Umwandlung der Bewegungsenergie in Wärme vorrangig durch die Anregung von Schall, auf mikroskopischer Ebene von Schallquanten (Phononen) erfolgt (Tomlinson-Modell und Nachfolger [1]). Im Artikel wird ein Modellexperiment vorgestellt, mit dem diese Grundidee veranschaulicht und verschiedene daraus folgende Zusammenhänge experimentell untersucht werden können (insbes. zwischen Gleitreibungskraft und Schalldruck). Der Versuch fügt sich in eine Reihe zur Nutzung der experimentellen Möglichkeiten von Smartphones ein (z. B. [2], [3]); des Weiteren werden zur Durchführung des Experiments ausschließlich Alltagsmaterialien und –gegenstände benötigt. Es ergibt sich eine gute Bestätigung der vorgesagten Zusammenhänge.