News: Physik der Krähenfüße
Wellen schlagendes Material ist bei vielen Herstellungsprozessen der Industrie genauso unerwünscht wie die Fältchen im Alter. Wenngleich es durchaus bereits Modelle gibt, die das unliebsame Phänomen erklären können, so fehlte es bislang an Formeln, mit denen sich genauere Vorhersagen treffen lassen. Nun gelang es offenbar, die Runzeln in Zahlen zu fassen.
© L. Mahadevan, University of Cambridge (Ausschnitt)
Was tun einige Zeitgenossen nicht alles, um die lästigen Anzeichen des Älterwerdens loszuwerden. Da werden Tinkturen zu teilweise horrenden Preisen ins Gesicht geschmiert und Unmengen Geld für Schönheitsoperationen ausgegeben. Doch lässt sich damit den Fältchen auf Dauer wirklich Einhalt gebieten?
Denn wenn die Haut Wellen schlägt, dann hat neben der Biologie auch die Physik ihre Finger im Spiel. So verliert im Alter die Lederhaut, die sich direkt unter der dünnen Oberhaut befindet an Elastizität und kann Größenänderungen der unteren Gewebeschichten nur noch bedingt folgen. Die Haut "passt" nicht mehr und beginnt Wellen zu werfen.
Doch wie groß sind die entstehenden Falten, welche Form haben sie und wo genau treten sie auf? Diesen Fragen sind Enrique Cerda von der Universidad de Santiago de Chile und Lakshminarayanan Mahadevan von der University of Cambridge nachgegangen. Dabei entdeckten sie, dass die Wellenlänge der Falten – also der Abstand zwischen zwei Runzeln – das Ergebnis eines Kompromisses zwischen zwei konkurrierenden Effekten ist.
Denn einerlei ob menschliche Haut oder die Schale eines Apfels, die dünne Hülle tendiert eher zu wenigen dafür großen als zu vielen kleinen Falten. Letzteres würde schlichtweg zu viel Energie verbrauchen. Das ist genauso wie bei einem Geschenkband: Auch hier ist es leichter, eine große Schlaufe zu formen als das Band wie eine Ziehharmonika in viele kleine Falten zu legen.
Ganz anders ist es hingegen bei den Gewebeschichten unter der Haut. Diese sind vergleichsweise starr und dick, weshalb sie vorzugsweise viele kleine Fältchen anstelle einer großen Welle formen. Gesucht ist also der Zustand der im Widerstreit dieser beiden entgegengesetzten Tendenzen die geringste Energie verbraucht. Cerda und Mahadevan konnten diesen Kompromiss tatsächlich im Rahmen ihres Modells berechnen und damit erste Vorhersagen über die Größe und Form von Falten machen.
Doch wie gut ist das Modell? Lassen sich damit tatsächlich auch realistische Situationen nachstellen? Um das zu prüfen, wählten die Forscher zwei Versuchsobjekte aus: einen verschrumpelten Apfel und die zusammengequetschte Haut auf dem Handrücken.
Unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Apfels und der Hand berechneten die Wissenschaftler, dass sich die Falten alle 1,5 und 2,5 Millimeter wiederholen müssten – was im Großen und Ganzen auch tatsächlich zutrifft.
"Diese Arbeit ist weitaus wichtiger, als man gemeinhin annimmt", urteilt daher auch Robert Krohn von der New York University. "Sie wird ihren Weg in die Lehrbücher finden als Musterbeispiel dafür, wie die Energieminimierung zur Bildung von Mustern führt."
Und auch die Industrie wird sich sicherlich für die Falten-Theorie der beiden Physiker interessieren. Sei es bei der Herstellung dünner Beschichtungen und Folien oder beim jugendlichen Aussehen. Denn wenn sich die Entstehung von Falten und Wellen simulieren lässt, können auch Maßnahmen überprüft werden, die zur Linderung des oftmals unerwünschten Effekts führen.
Denn wenn die Haut Wellen schlägt, dann hat neben der Biologie auch die Physik ihre Finger im Spiel. So verliert im Alter die Lederhaut, die sich direkt unter der dünnen Oberhaut befindet an Elastizität und kann Größenänderungen der unteren Gewebeschichten nur noch bedingt folgen. Die Haut "passt" nicht mehr und beginnt Wellen zu werfen.
Doch wie groß sind die entstehenden Falten, welche Form haben sie und wo genau treten sie auf? Diesen Fragen sind Enrique Cerda von der Universidad de Santiago de Chile und Lakshminarayanan Mahadevan von der University of Cambridge nachgegangen. Dabei entdeckten sie, dass die Wellenlänge der Falten – also der Abstand zwischen zwei Runzeln – das Ergebnis eines Kompromisses zwischen zwei konkurrierenden Effekten ist.
Denn einerlei ob menschliche Haut oder die Schale eines Apfels, die dünne Hülle tendiert eher zu wenigen dafür großen als zu vielen kleinen Falten. Letzteres würde schlichtweg zu viel Energie verbrauchen. Das ist genauso wie bei einem Geschenkband: Auch hier ist es leichter, eine große Schlaufe zu formen als das Band wie eine Ziehharmonika in viele kleine Falten zu legen.
Ganz anders ist es hingegen bei den Gewebeschichten unter der Haut. Diese sind vergleichsweise starr und dick, weshalb sie vorzugsweise viele kleine Fältchen anstelle einer großen Welle formen. Gesucht ist also der Zustand der im Widerstreit dieser beiden entgegengesetzten Tendenzen die geringste Energie verbraucht. Cerda und Mahadevan konnten diesen Kompromiss tatsächlich im Rahmen ihres Modells berechnen und damit erste Vorhersagen über die Größe und Form von Falten machen.
Doch wie gut ist das Modell? Lassen sich damit tatsächlich auch realistische Situationen nachstellen? Um das zu prüfen, wählten die Forscher zwei Versuchsobjekte aus: einen verschrumpelten Apfel und die zusammengequetschte Haut auf dem Handrücken.
Unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Apfels und der Hand berechneten die Wissenschaftler, dass sich die Falten alle 1,5 und 2,5 Millimeter wiederholen müssten – was im Großen und Ganzen auch tatsächlich zutrifft.
"Diese Arbeit ist weitaus wichtiger, als man gemeinhin annimmt", urteilt daher auch Robert Krohn von der New York University. "Sie wird ihren Weg in die Lehrbücher finden als Musterbeispiel dafür, wie die Energieminimierung zur Bildung von Mustern führt."
Und auch die Industrie wird sich sicherlich für die Falten-Theorie der beiden Physiker interessieren. Sei es bei der Herstellung dünner Beschichtungen und Folien oder beim jugendlichen Aussehen. Denn wenn sich die Entstehung von Falten und Wellen simulieren lässt, können auch Maßnahmen überprüft werden, die zur Linderung des oftmals unerwünschten Effekts führen.
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