Das bekannte Quietschen von Gummisohlen auf hartem Boden ist nicht nur auf Reibung zurückzuführen – neue Forschungsergebnisse zeigen, dass es sich um ein überraschend komplexes Phänomen mit unglaublich schnellen Bewegungen und sogar winzigen elektrischen Entladungen handelt. Die am 25. Februar in Nature veröffentlichte Studie von Forschern aus Harvard, Nottingham und dem französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung legt nahe, dass weiche Materialien wie Gummi nicht reibungslos gleiten. Stattdessen erfolgt die Bewegung in schnellen, sich wiederholenden Ausbrüchen, die als „Öffnungsschlupfimpulse“ bezeichnet werden und die Vibrationen erzeugen, die wir als Quietschen hören.
Jenseits von Stick-Slip: Wie sich Gummi tatsächlich bewegt
Herkömmliche Reibungsmodelle basieren häufig auf dem „Stick-Slip“-Konzept: Oberflächen verhaken sich wiederholt und lösen sich wieder. Damit lässt sich das Quietschen von Fahrradbremsen oder Türscharnieren gut erklären. Gummi verhält sich jedoch anders. Anstelle eines gleichmäßigen Gleitens konzentriert sich die Bewegung auf lokalisierte Impulse, die sich über die Kontaktfläche lösen und wieder verbinden. Dies erzeugt nicht nur Lärm; Es entstehen auch Bedingungen, unter denen winzige, blitzartige Funken entstehen können.
Das Team nutzte optische Hochgeschwindigkeitsbildgebung und synchronisiertes Audio, um dies in Aktion zu beobachten, und stellte fest, dass die Form des Gummis und nicht nur seine Bewegung die Tonhöhe des Quietschens bestimmt. Flache Gummiblöcke erzeugen ein unregelmäßiges „Wusch“, während Rippen die Impulse in einen sich wiederholenden Zyklus kanalisieren und den Klang in einer bestimmten Frequenz fixieren. Tatsächlich konnten die Forscher das Star Wars -Thema mit unterschiedlich hohen Blöcken nachspielen und so beweisen, wie präzise die Quietschfrequenz gesteuert werden kann.
Der überraschende Zusammenhang mit Erdbeben
Dabei geht es nicht nur um besseres Schuhdesign. Die in den Experimenten beobachteten Schlupfimpulse weisen wesentliche Gemeinsamkeiten mit Bruchfronten bei Erdbeben auf, bei denen Abschnitte einer Verwerfung plötzlich brechen und mit extremer Geschwindigkeit gleiten. Laut Shmuel Rubinstein, Co-Autor der Studie, ist die Physik „auffallend ähnlich“, obwohl weiche Reibung normalerweise als langsam gilt. Dieser Befund könnte unser Verständnis der Erdbebendynamik verbessern.
„Weiche Reibung gilt normalerweise als langsam, doch wir zeigen, dass sich das Quietschen eines Turnschuhs genauso schnell oder sogar schneller ausbreiten kann als der Bruch einer geologischen Verwerfung.“
Implikationen für Ingenieurwesen und Materialwissenschaften
Die Forschung öffnet auch Türen für die Gestaltung von Oberflächen, die bei Bedarf zwischen rutschigem und griffigem Zustand wechseln können. Das Verständnis der Funktionsweise dieser Schlupfimpulse könnte zu Materialien mit dynamisch einstellbaren Reibungskoeffizienten führen. Die detaillierte Analyse der Reibung im Mikromaßstab des Teams liefert ein tieferes Verständnis dafür, wie Materialien interagieren, was Auswirkungen über Verbraucherprodukte hinaus hat.
Die Ergebnisse zeigen, dass scheinbar einfache Phänomene wie ein quietschender Schuh grundlegende physikalische Erkenntnisse mit weitreichenden Auswirkungen offenbaren können. Die Studie stellt lang gehegte Annahmen über die Reibung weicher Materialien in Frage und könnte unser Verständnis sowohl alltäglicher Ereignisse als auch großer geologischer Ereignisse verändern.
