Versuchsmodell: Eine weiche Halbkugel drückt auf eine raue Oberfläche (eine Reihe von Säulen).
Physiker der Universität Paris-Süd haben ein theoretisches Modell erstellt, das das ungewöhnliche Verhalten zweier elastischer Körper beschreibt, wenn sie zusammengedrückt werden. Der neue Ansatz erklärt die sprungartige Ausbildung der engen Kontaktstelle und verbindet sie mit der Adhäsionsenergie der Oberflächen. Die theoretischen Arbeiten stehen in direktem Zusammenhang mit dem Reibungs- und Adhäsionsmanagement, das beispielsweise bei der Herstellung von Autoreifen gefragt ist. Die Studie wurde im European Physial Journal E.
Die Autoren führten Experimente zur Kompression zweier elastischer Oberflächen durch: einer glatten Kugel und einer rauen Ebene, deren Rolle eine Anordnung von sechseckigen Säulen spielte. Mit zunehmender Belastung wurden die Oberflächen verformt, daher dehnte sich die Kontaktstelle ("locker", da die Kugel nur die Oberseiten der Säulen berührte). Unter einer bestimmten Belastung stellte sich die Verformung als so stark heraus, dass die Kugel das Material zwischen den Säulen berührte und ein „dichter“Kontakt entstand.
Alle bisherigen Modelle sagten voraus, dass die enge Kontaktstelle mit zunehmender Last sanft zunehmen sollte, aber im Experiment geschah dies abrupt von Null bis zu einem bestimmten Radius. Um diese Tatsache zu erklären, schlugen die Wissenschaftler ein theoretisches Modell vor, das die Adhäsion zwischen zwei Oberflächen bei engem Kontakt berücksichtigt.
Schematische Darstellung des Experiments und Fotografien der Kugel vor (links) und nach (rechts) der abrupten Bildung einer engen Kontaktstelle.
Im Rahmen des neuen Ansatzes entsteht eine zusätzliche Triebkraft (Adhäsion), die tendenziell die Kontaktfläche vergrößert. Dem wiederum wird durch die elastische Verformung des Materials entgegengewirkt, sodass sich beide Kräfte irgendwann kompensieren und das Wachstum des Flecks aufhört. Außerdem wächst mit zunehmender Belastung der Radius des Spots kontinuierlich und ohne Sprünge.
Das neue Modell beschrieb die experimentellen Daten für weiche Materialien gut. Um die Grenzen der Anwendbarkeit zu testen, führten die Autoren auch ein Experiment mit sehr starren Säulen durch, deren Verformung vernachlässigbar war. In diesem Fall hat das Modell die experimentellen Daten nicht wie erwartet beschrieben. Wissenschaftler planen, diesen Mangel zu beseitigen, indem sie zusätzlich kleine Verformungen der Kugel berücksichtigen, die versuchen, die starren Säulen zu durchdringen.
Die Motivation für solche Arbeiten ist seit langem das Problem des Reibungs- und Adhäsionsmanagements, das in den meisten Industriebereichen auftritt. Das Schulgesetz „Die Reibungskraft ist proportional zur Belastung und unabhängig von der Kontaktfläche“hat nur einen eingeschränkten Anwendungsbereich, da es die Verformung der realen (rauen) Oberfläche nicht berücksichtigt. Fortgeschrittenere Modelle sollen diesen Nachteil beseitigen.
Taras Molotilin
