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Bremsen

Bremsen bei Fahrzeugen sind für die Betriebssicherheit unerlässlich. Je nach der Bauart unterscheidet man zwischen Trommelbremsen und Scheibenbremsen. In beiden Fällen wird für das Abbremsen von Fahrzeugen die Gleitreibung zwischen speziellen Bremsbelägen und einer Bremstrommel bzw. Bremsscheibe genutzt. Dabei wird mechanische Energie in thermische Energie umgewandelt, die in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird.

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Physikalische Grundlagen

Bremssysteme sind hydraulische Anlagen, bei denen zum einen das Gesetz für hydraulische Anlagen und zum anderen die Abhängigkeit der Gleitreibung von der Normalkraft genutzt werden.
Damit die Anpresskraft (Normalkraft) zwischen Bremsbacken und Bremstrommel bzw. Bremsscheibe möglichst groß werden kann, wird die Fläche im Hauptbremszylinder klein und bei den Bremskolben groß gewählt, denn nach dem Gesetz für hydraulische Anlagen verhalten sich die Kräfte an den Kolben proportional zu den Flächen der Kolben. Es gilt:

F 1 F 2 = A 1 A 2

Somit kann man mit einer kleinen Kraft am Bremspedal eine große Kraft am Bremskolben erreichen. Für die Gleitreibungskraft zwischen Bremsbacken bzw. Bremstrommel gilt:

F R = μ ⋅ F N

Die Normalkraft (Anpresskraft) kann man mit der Kraft am Bremspedal verändern. Sie ist umso größer, je kräftiger man das Bremspedal betätigt. Darüber hinaus werden in modernen Fahrzeugen Bremskraftverstärker genutzt.
Die Reibungszahl hängt von den verwendeten Materialien ab. In der Regel verwendet man spezielle Bremsbeläge, die nicht nur eine relativ hohe Reibungszahl haben, sondern auch möglichst abriebfest und hitzebeständig sein müssen, damit die Betriebssicherheit über einen längeren Zeitraum auch bei hoher Belastung gewährleistet ist.

Bremsen sind besonders wirksam, wenn zwischen Reifen und Straße die Haftreibungskraft und nicht die kleinere Gleitreibungskraft wirkt. Das könnte passieren, wenn man die Bremsen so kräftig betätigt, dass die Räder blockieren. Um das zu vermeiden, wird in modernen Fahrzeugen ein Antiblockiersystem (ABS) eingebaut. Das ABS sichert elektronisch ab, das im Grenzbereich die Räder nicht blockieren. Damit wird nicht nur eine bessere Bremswirkung erzielt, sondern es bleibt auch die Lenkbarkeit des Fahrzeuges erhalten.

Trommelbremsen

Den Aufbau einer Trommelbremse zeigt Bild 2. Beim Betätigen des Bremspedals werden durch einen Bremszylinder die Bremsbacken von innen gegen die Bremstrommel gedrückt. Diese Bremstrommel ist fest mit dem Rad verbunden. Damit wirkt zwischen Bremsbacken und Bremstrommel eine Gleitreibungskraft, die das Abbremsen des Fahrzeuges bewirkt.

Scheibenbremsen

Bild 3 zeigt den Aufbau einer Scheibenbremse. Sie ist so konstruiert, dass die Bremsbeläge durch einen Bremszylinder gegen eine Bremsscheibe gedrückt werden, die fest mit dem Rad verbunden ist. Damit wirkt zwischen Bremsbacken und Bremsscheibe eine Gleitreibungskraft, die das Abbremsen des Fahrzeuges bewirkt. Gut sichtbar sind Scheibenbremsen bei vielen Motorrädern (siehe Bild 1).

Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Bremsen." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/index.php/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/bremsen (Abgerufen: 21. September 2025, 23:57 UTC)

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Kräfte bei der Kreisbewegung

Welche Kräfte bei einer Kreisbewegung wirken, hängt davon ab, welches Bezugssystem man zugrunde legt. Von einem Inertialsystem (unbeschleunigtes, ruhendes Bezugssystem) aus beschrieben gilt:

Damit sich ein Körper auf einer Kreisbahn bewegt, muss auf ihn eine Kraft in Richtung Zentrum der Kreisbewegung wirken. Diese Kraft wird als Radialkraft bezeichnet. Sie bewirkt die Radialbeschleunigung und hat den Betrag:

F r = m ⋅ v 2 r = m ⋅ ω 2 ⋅ r = m ⋅ 4 π 2 ⋅ r T 2 = m ⋅ 4 π 2 ⋅ r ⋅ n 2

Zu dieser Radialkraft existiert nach dem Wechselwirkungsgesetz eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Gegenkraft, die keine besondere Bezeichnung trägt.
Von einem mitrotierenden (beschleunigten) Bezugssystem aus stellt sich der Sachverhalt anders dar: Auf einen Körper wirkt eine radial nach außen gerichtete Trägheitskraft, die als Zentrifugalkraft bezeichnet wird.

Kräfte und ihre Messung

Der Begriff Kraft wird im Alltag und in der Physik in vielfältiger Weise verwendet. Während der Alltagsbegriff mit unterschiedlichen Begriffsinhalten genutzt wird, ist die physikalische Größe Kraft eindeutig definiert:
Die Kraft gibt an, wie stark ein Körper bewegt oder verformt wird. Sie ist eine Wechselwirkungsgröße und eine vektorielle (gerichtete) Größe. Die Wirkung einer Kraft ist abhängig von ihrem Betrag, ihrer Richtung und ihrem Angriffspunkt.


Formelzeichen: F → Einheit: ein Newton (1 N) 1 N = 1 kg ⋅ m s 2
Man unterscheidet u.a. elektrische Kräfte, magnetische Kräfte, Reibungskräfte, Druckkräfte, Radialkräfte, Gewichtskräfte, Schubkräfte, Spannkräfte und Zugkräfte, Adhäsionskräfte und Kohäsionskräfte, innere Kräfte und äußere Kräfte voneinander.

Kurvenfahrten

Zum sicheren Durchfahren einer Kurve muss bei jedem Fahrzeug eine Kraft in Richtung Zentrum der Kreisbewegung wirken. Diese radial gerichtete Kraft, die Radialkraft, wird durch die Reibung zwischen Straße und Reifen aufgebracht.
Die aufzubringende Radialkraft ist umso größer,

  • je größer die Geschwindigkeit des Fahrzeuges ist,
  • je größer seine Masse ist,
  • je kleiner der Krümmungsradius der Kurve ist.

Welche Kräfte bei einer Kurvenfahrt tatsächlich wirken und wie schnell man eine Kurve durchfahren kann, hängt auch davon ab, ob die Kurve überhöht ist und ob man die Bewegung eines vierrädrigen oder eines zweirädrigen Fahrzeuges betrachtet.

Trägheitskräfte

Trägheitskräfte, auch Scheinkräfte genannt, treten in beschleunigten Bezugssystemen als real wirkende Kräfte auf. Sie wirken stets entgegen der Beschleunigung. Das gilt bei einer geradlinigen Bewegung ebenso wie bei einer Kreisbewegung. Dort werden sie als Zentrifugalkräfte bezeichnet.
Auch ein mit der Erdoberfläche verbundenes Bezugssystem ist aufgrund der Rotation der Erde um ihre Achse ein beschleunigtes Bezugssystem. Demzufolge wirkt auf jeden Körper, der sich auf der Erdoberfläche befindet, eine Trägheitskraft.
Eine weitere spezielle Trägheitskraft, die auf bewegte Körper auf der Erdoberfläche und damit auch auf fließendes Wasser oder bewegte Luftmassen wirkt, ist die CORIOLIS-Kraft.

Wissenstest, Dynamik


Die Dynamik beschäftigt sich mit den Kräften und ihren Wirkungen. Die Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften spielt bei zahlreichen Anwendungen eine wichtige Rolle. Die verschiedenen Arten von Kräften (Gewichtskräfte, Reibungskräfte, Kräfte bei der Drehbewegung) haben unterschiedliche Ursachen und Wirkungen. Die grundlegenden Gesetze der Dynamik sind die drei newtonschen Gesetze. Bei dem Test geht es darum nachzuweisen, dass sichere Kenntnisse über die Grundlagen der Dynamik vorliegen.

 

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