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News: Riss im Gummi

Bläst man einen Ballon zu stark auf, so platzt er. Wer sich die Überbleibsel genau ansieht, der stellt fest, dass die Gummifetzen teilweise einen welligen Rand aufweisen. Physiker haben das Reißverhalten von Gummi nun genauer untersucht und festgestellt, dass diese Struktur immer dann auftaucht, wenn das Material über ein gewisses Maß hinaus gespannt wird. Ansonsten ist der Rand glatt und eben.
Wenn eine Plastiktüte reißt und der Einkauf auf den Asphalt kullert, so ist das ärgerlich. Gibt jedoch die Haut einer Flugzeugtragfläche nach, dann kann das fatal werden. Das Verständnis von Reiß-Prozessen ist also immens wichtig. Doch obwohl Wissenschaftler und Ingenieure die Eigenschaften vieler Materialien zumindest soweit im Griff haben, dass unerwünschte Risse nur noch selten auftreten, so fehlen doch detaillierte Modelle, die das Phänomen umfassend beschreiben.

Unklar ist beispielsweise, was die Ausbreitungsrichtung einer Bruchstelle bewirkt. Oder warum, sich ein Riss manchmal auf zwei Wegen, ypsilonförmig fortpflanzt. Deshalb beschlossen Robert Deegan und seine Kollegen von der University of Texas at Austin ein besondere Struktur genauer zu untersuchen: die wellenförmige Risskante von Gummi. Denn unter bestimmten Umständen ist diese nicht geradlinig, sondern ähnelt vielmehr einer sinusförmigen Schwingung.

Dazu montierten die Forscher eine Gummimembran so, dass sie sich in zwei Dimensionen spannen ließ. Anschließend pieksten sie mit einer Nadel in die Haut und zeichneten mit einer Hochgeschwindigkeitskamera den Verlauf des Risses auf, der sich daraufhin ausbreitete. Sie fanden dabei sowohl relativ glatte, aber auch jene welligen Kanten mit einer Periodizität von etwa einem Zentimeter und einer Amplitude von ungefähr einem Millimeter.

Weiterhin stellten sie fest, dass die welligen Strukturen vor allem dann auftreten, wenn das Material über ein gewisses Maß hinaus gedehnt wurde. Dabei verhalten sich die Änderungen von Frequenz und Wellenlänge der Schwingung wie eine so genannte Hopf-Bifurkation, einem dynamischen System, bei dem periodische Wechsel zwischen zwei Bewegungszuständen auftreten. Dergleichen beobachtet man beispielsweise bei bestimmten chemischen Reaktionen, die sich wiederholende windradartige Farbmuster hervorrufen. Aber auch in schnell abgekühltem Glas findet man Risse, die einer solchen Bifurkation gehorchen.

Warum sich nun Gummi so verhält, ist den Forschern jedoch nicht ganz klar. Sie spekulieren, dass trommelartige Vibrationen und periodische Verhärtungen des Materials eine Rolle spielen könnten. Deshalb wäre das Phänomen auch auf andere Materialien übertragbar. Michel Marder meint, dass auch starke Verspannungen des Gummis in unterschiedliche Richtungen denkbar wären, ergänzt jedoch, dass das Problem zunächst mal "interessant verwirrend" ist – den Spaß nicht zu vergessen.

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