Fahrzeugbau - Reibung und Widerstand

Beim Fahrzeugbau in der Schule wird zunächst der Blick auf die Konstruktion von Räderfahrzeugen gelenkt. Einfache Räderfahrzeuge haben eine Karosserie, zwei Achsen und Räder.  Diese Bauteile haben Einfluss auf die Rollfähigkeit der Fahrzeuge.

Der primäre Einflussfaktor ist die Reibung. Eine Reibung ist immer eine Kraft, die entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des jeweiligen Körpers wirkt. Um die Rollfähigkeiten eines Fahrzeuges zu optimieren, sind beim Fahrzeugbau folgende Formen der Reibung besonders wichtig:

  • Reibung in der Lagerung
  • Reibung an der Kontaktstelle Reifen – Boden

Für den Fahrzeugbau sind zwei Formen der Reibung wichtig:

  • Haftreibung, als der Bewegung entgegengesetzte Kraft. Die hält das Fahrzeug an der Stelle und muss überwunden werden, bevor das Fahrzeug losrollen kann.
  • Rollreibung, als bremsende Kraft, die auftritt, sobald ein runder Körper auf einer ebenen Fläche rollt.

Eine geringe Rollreibung wird erzielt bei

  • einer gelagerten Achse, wobei das Kugellager den geringsten Reibungsverlust bietet. Dies ist im kindlichen Fahrzeugbau jedoch nicht möglich. Eine Möglichkeit zur Lagerung der Achse bietet der Schaschlikspieß, der in einem Strohhalm gelagert wird.
  • schmalen Reifen, die eine geringere Reibungsfläche haben.
  • härteren Reifen, die sich nicht verformen und daher weniger Kontaktfläche auf der ebenen Fläche haben.

Zu erwähnen sei hier auch, dass natürlich auch die Beschaffenheit des Untergrundes Einfluss auf die Reibung hat! Man unterscheidet umlaufende und feststehende Achsen. Ein Auto wird mit einer feststehenden Achse produziert. Die Räder sind gelagert und drehen sich auf der Achse.

Spielzeugautos hingegen haben eine umlaufende Achse. Die Räder sind fest mit der Achse verbunden, die Achse selber dreht sich.

Die Größe der Räder beeinflusst ebenfalls die Rollweite. Grundsätzlich gilt: je größer das Rad, desto weiter fährt das Fahrzeug (bei gleichen Bedingungen), da aufgrund der größeren Räder weniger Umdrehungen für eine bestimmte Wegstrecke nötig sind. Weniger Umdrehungen der Achsen ist gleichbedeutend mit weniger Reibung im Lager und bedingt somit eine größere Reichweite.

Damit die Fahrzeuge gut rollen und wenig Reibung auftritt, ist es wichtig, dass die Räder im Kreismittelpunkt befestigt werden und gleichzeitig die Achsen parallel angebracht werden. Die Karosserie nimmt Einfluss auf die Rollfähigkeit, indem sie durch ihr Gewicht die Rollweite beeinflusst.

Baugleiche Fahrzeuge rollen auf einer schiefen Ebene weiter, wenn sie ein höheres Gewicht haben. Dies liegt daran, dass sie über eine höhere Lageenergie verfügen, da mehr Energie aufgewendet wurde, sie hochzuheben. Gleichzeitig steigt allerdings auch der Reibungs-Widerstand. Für Versuche im Grundschulbereich zwar nicht bedeutend, jedoch zu erwähnen ist noch der Luftwiederstand. Die Aerodynamik hat Einfluss auf die Rollweite, kommt aber messbar nur bei höheren Geschwindigkeiten zum Tragen.

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