Papier so stark wie Stahl?

21. Januar 2016, 13:43 Uhr
Experimenteller Aufbau zur Messung von Reibungskräften. © Frédéric Restagno und Christophe Poulard
Experimenteller Aufbau zur Messung von Reibungskräften. © Frédéric Restagno und Christophe Poulard
Nehmen Sie zwei Telefonbücher und legen Sie die Seiten von beiden abwechselnd ineinander, jeweils eine Seite des einen Buches auf die entsprechende Seite des Anderen. Versuchen Sie nun, beide Bücher an ihren Rücken auseinander zu ziehen. Unmöglich! Die Blätter der Nachschlagewerke sind so fest miteinander verwoben, dass man sogar ein komplettes Auto daran aufhängen könnte. Anhand eines Modells, das die Spannungen und Reibungskräfte bei solch einem Vorgang simuliert, haben Forscher gezeigt, dass beim Ziehen an den Rändern der ineinander greifenden Telefonverzeichnisse ein Teil der vertikalen Kräfte in horizontale Kräfte umgewandelt werden, die die Blätter fest miteinander zu verzahnen scheinen.

Diese Erkenntnisse verdanken wir unter anderem dem physikalischen Feststofflabor der Universität Paris-Süd (CNRS), dem Labor Gullivier (CNRS/ESPCI ParisTech), dem „Laboratoire de génie des procédés papetiers“ (CNRS/Grenoble INP) und der kanadischen McMaster Universität. Die enormen Reibungskräfte widerstehen der Zugkraft so sehr, dass man sich sogar an einem Bungee-Jumping-Seil gefahrlos in die Tiefe stürzen könnte, wenn es an der beschriebenen Anordnung aufgehängt wäre. Doch überlassen wir das lieber den Forschern. Die haben nämlich die Kräfte gemessen, die erforderlich sind, um die Verbindung zu trennen.

Die Analyse zeigte, dass Parameter wie Seitenzahl, Papierstärke und Überlappungsabstand dabei eine nicht unwesentliche Rolle spielen. Es scheint sogar, dass die Festigkeit der Anordnung mit zunehmender Seitenzahl überproportional ansteigt: Sobald eine ausreichende Mindestanzahl von Seiten vorhanden ist, um der Zugkraft zu widerstehen, bewirkt eine Verzehnfachung der Seitenzahl bei gleicher Überlappung der Seiten eine Erhöhung der Festigkeit um den Faktor 10.000. Diese Studie macht es möglich, Reibungskoeffizienten mit sehr kleinen Kräften zu messen. So kann man das mechanische Verhalten verstrickter komplexer Systeme wie Textilien oder Muskelfasern besser verstehen; und vielleicht führt diese Entdeckung eines Tages zur Entwicklung ganz neuer, biomimetischer Materialen.
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