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Physik durch Beispiele einfach veranschaulichen

Viele physikalische Phänomene und Zusammenhänge scheinen im Unterricht sehr abstrakt und schwer zu begreifen. Dabei behandelt gerade die Physik Vorgänge, die unser alltägliches Leben bestimmen und begleiten. Praxisnahe Beispiele helfen dabei, physikalische Gesetze leichter verständlich zu machen.

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Die Bremse ist eines der wichtigsten Bauteile eines jeden Automobils.

Viele Schüler und Erwachsene haben Schwierigkeiten damit, physikalische Sachverhalte richtig zu verstehen. Komplexe Themengebiete, wie beispielsweise die Erklärung der Wärmelehre, die Akustik oder die Quantenphysik, erfordern einen hohen Grad an Verständnis. Doch wie vermitteln Lehrer oder Mentoren den Schülern die Physik anschaulich und so einfach, dass der Zuhörer sie auf Anhieb versteht und zum Beispiel für die nächste Klausur optimal vorbereitet ist? Im Folgenden wird dieser Thematik anhand eines Beispiels auf den Grund gegangen, denn grundsätzlich bietet es sich an, auf Beispiele aus dem Alltag zurückzugreifen, um ein kompliziertes Thema besser verständlich zu machen. In diesem Fall geht es um die Reibungs- und Fortbewegungsenergie, welche anhand von Bremsen und dem Mechanismus des Blockierens erklärt werden soll.

Was sind Bremsen und für welchen Zweck sind sie konzipiert?

Bremsen sind sowohl in Automobilen und LKWs als auch bei Motorrädern für die Betriebssicherheit unerlässlich. Hierbei kann man die Bremsen in zwei Bereiche einteilen: in den Bereich der Scheibenbremsen und in den Bereich der Trommelbremsen. In beiden Fällen wird die Reibung durch das Betätigen der Bremse genutzt, um Gleitreibung zu erzeugen und die Bremsbeläge an die Bremstrommel oder die Bremsscheibe zu drücken. Durch den Druck, der hierbei entsteht, wird mechanische Energie erzeugt, die sich in thermische Wärme umwandelt und an die Umwelt abgegeben wird. Mit dieser Hilfe bleiben die Reifen länger erhalten und das Automobil wird langsamer beziehungsweise stoppt die Fahrt.

Scheibenbremse

Die Scheibenbremse ist mit dem Bremszylinder und den Bremsbacken montiert.

Unterschied schnell erklärt: Scheibenbremsen und Trommelbremsen

Scheibenbremsen

Scheibenbremsen sind so gebaut, das beim Betätigen der Bremse die Bremsbeläge durch einen Zylinder gegen die am Rad montierte Scheibe gedrückt werden. Hierbei entsteht die Gleitreibungskraft, die zum Abbremsen des Automobils dient.

Trommelbremsen

Trommelbremsen haben denselben Effekt, sind jedoch anders aufgebaut. Hierbei betätigt der Fahrer zuerst das Bremspedal. Nun werden durch einen Bremszylinder die Bremsbacken von innen gegen die Bremstrommel gedrückt. Die Bremstrommel ist wiederum fest mit dem Rad verbunden und sorgt beim Betätigen der Bremse für die Gleitreibungskraft, die zum Reduzieren beziehungsweise zum Stoppen des Fahrzeuges führt.

Physikalisches Verständnis: Das steckt hinter der Bremskraft

Um das Verständnis in punkto Bremskraft physikalisch näherzubringen, ist es wissenswert, dass Bremsen in Automobilen hydraulische Anlagen sind, die zum einen das Gesetz der Abhängigkeit der Gleitreibung von der Normalkraft und zum anderen das Gesetz der hydraulischen Anlage nutzen. Damit die Bremskraft funktioniert, muss die Normalkraft zwischen den Komponenten – Bremstrommel oder Bremsscheibe mit den Bremsbacken – möglichst groß werden. Beim Bremskolben wird diese Kraft groß und bei dem Hauptbremszylinder klein gewählt, denn das Gesetz der hydraulischen Anlagen verhält sich wie folgt: Die Kraft, die auf den Kolben einwirkt, ist proportional zu den Flächen des Kolbens. Somit bleibt festzuhalten, dass die eingesetzte Energie am Bremspedal eine große Kraft am Bremskolben auslöst. Hierfür sollte die Formel:genutzt werden.

Reibungskraft der Bremsen

Damit die Reibungskraft zwischen Bremstrommel, Bremsscheibe und den Bremsbacken berechnet werden kann, wird im Folgenden diese Formel angewandt:

Hierbei wird der Körper mit der sogenannten Normalkraftgegen einen Körper, in diesem Fall die Bremsschreibe, gedrückt. Dabei entsteht die Gleitreibungskraft. Damit der Wert der Gleitreibungskraft bestimmt werden kann, ist der Gleitreibungskoeffizient des Materials von Nöten. Dieser beschreibt die Oberfläche der beiden Körper und kann durch die unterschiedlichen Materialien verschiedene Zahlen erhalten. In diesem Zusammenhang werden in der Regel spezielle Bremsbeläge verwendet, die möglichst abriebfest sind und zudem eine relativ hohe Reibungsanzahl haben. Hierbei steht die Sicherheit durch eine lange Haltbarkeit der Materialien im Vordergrund.

Die Normalkraft wird im Beispiel der Bremsen durch den Fahrer mit Hilfe des Bremspedals reguliert. Umso kräftiger der Fahrer des Wagens drückt, desto größer ist die Bremskraft. In der modernen Autoindustrie wird darüber hinaus mit einem sogenannten Bremskraftverstärker gearbeitet, der dafür sorgt, dass die Fußkraft intensiviert wird.

Erwünschte und unerwünschte Rollreibung

Um den Unterschied zwischen erwünschter und unerwünschter Rollreibung zu erklären, ist es hilfreich sich vorzustellen, dass zum Beispiel ein Sportler Krafttraining mit Hilfe eines Fahrrads ausübt. Dabei ist die Rollreibung erwünscht, um das Trainingsergebnis zu erhöhen. Die unerwünschte Rollreibung ist hingegen beispielsweise beim Fahren mit einem PKW oder Motorrad vorhanden, da hierbei die kostengünstige Fortbewegung ohne viel Benzinverbrauch und Abnutzung im Vordergrund steht. Die Rollreibungskraft kann durch verschiedene Oberflächen vergrößert beziehungsweise verkleinert werden:

- Verkleinerung der Normalkraft erfolgt durch glatte und harte Oberflächen

- Vergrößerung der Normalkraft erfolgt durch raue und weiche Oberflächen

Bremse Zug

Unerwünschte Rollreibung: Züge haben einen langen Bremsweg. In Notsituationen wird Sand zur Unterstützung der Haftreibungskraft auf die Schiene gestreut.

Gleitreibung versus Haftreibungskraft

Damit die Technik im Straßenverkehr optimal genutzt werden kann, muss jedoch die Haftreibung und nicht die im Verhältnis kleine Gleitreibung wirken. Die Haftreibung ist bei Automobilen die Bremse und die Gleitreibung ist der Bremseffekt der Reifen auf dem Untergrund. Betätigt der Fahrer nun die Bremse in einer Notsituation zu stark, kann es passieren, dass das Rad blockiert und nur noch die Gleitreibungskraft wirkt. Um zu vermeiden, dass nur die Gleitreibungskraft dabei genutzt wird, bieten moderne Autos das sogenannte ABS. Dieses System sorgt dafür, dass die Räder nicht blockieren, sondern durch eine elektronische Steuerung periodisch abbremsen. Hierdurch wird nicht nur die Bremswirkung effektiver, sondern auch das Steuern des Fahrzeuges ist weiterhin möglich.

Veranschaulichung durch Alltagsbeispiele ist eine bewährte Lernlösung

Das Lernen durch die Veranschaulichung von Alltagsbeispielen ist eine der bewährtesten Lösungen zum Lernen. Hierbei wird nicht nur auf spielerische Weise Wissen vermittelt, sondern es erfolgt eine verständliche und einfache Erklärung der Thematik. In Bezug auf das Thema aus dem Artikel wird durch das Erläutern einer Gefahrensituation im Straßenverkehr nicht nur deutlich, wie die Bremswirkung funktioniert, sondern auch, warum diese so wichtig ist. Ist die Bremse nicht mehr aktiv, sondern alt und verrostet, lässt die Bremskraft und somit die Haftreibung nach. Daher gilt: Neue Bremsen sorgen für Sicherheit im Straßenverkehr. Da aber nicht nur die Haftreibung, sondern auch die Gleitreibung entscheidend für das Fahrverhalten des Autos ist, sollten neue Reifen einen ebenso hohen Stellenwert einnehmen.


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