Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gummi auf Eis – ein Kontakt mit vielen Unbekannten

06.04.2016

Auch wenn für dieses Jahr die Zeit der Winterreifen vorbei ist, Wissenschaftler und Reifenhersteller arbeiten ständig daran, den idealen Reifen auch für extreme Bedingungen zu entwickeln. Eine neue Studie der Technischen Universität Wien hat das Reibungsverhalten von Gummi auf Eisflächen getestet. Ihre Ergebnisse haben die Forscher mit den Prognosen der Kontaktmechanik-Theorie des Jülicher Wissenschaftlers Bo Persson verglichen – und festgestellt, dass sein Modell ihre Daten nahezu perfekt voraussagte.

Gummi ist ein kompliziertes Material. „Es ist nicht elastisch, sondern viskoelastisch“, erklärt Bo Persson. Viskoelastische Materialien vereinigen Merkmale von Flüssigkeiten und Festkörpern. Dies zeigt sich insbesondere in der Art, in der sie auf Druckeinwirkung reagieren.


Bo Persson beschäftigt sich seit beinahe zwanzig Jahren damit wie Gummi mit anderen Materialien interagiert, und hat eine umfängliche Theorie der zugrundeliegenden Kontaktmechanik entwickelt.

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Gummi besteht aus langen, untereinander vernetzten Molekülketten. Bei äußerer Belastung entflechten und strecken sich diese, und kehren dann wieder in ihre Ausgangsform zurück. „Gummi hat gewissermaßen eine interne Dämpfung. Durch eine Art Reibung zwischen den Molekülen wird die Energie in dem Material verteilt.“ Wie Gummi auf Belastungen reagiert, ist zeit- und temperaturabhängig. Bei schneller Krafteinwirkung oder bei sehr niedrigen Temperaturen wird Gummi hart, wie Plastik.

Gummimischungen für Autoreifen enthalten außerdem Füllstoffe wie Ruß oder Silikate, die sie erst widerstandsfähig machen. „Die nur Nanometer großen Füllteilchen bilden ein Netzwerk, wie ein Skelett in einem menschlichen Körper“, so Persson. „Belastet man ein solches Material nur wenig, wird dieses Netzwerk elastisch verformt. Bei starken Belastungen bricht es auseinander, und das Material wird schlagartig viel weicher.“

Die Art und Weise wie Gummi mit anderen Materialien interagiert, ist deshalb sehr komplex und schwer vorherzusagen. Bo Persson vom Bereich Quantentheorie der Materialien des Jülicher Peter Grünberg Instituts beschäftigt sich seit beinahe zwanzig Jahren mit dem Thema, und hat eine umfängliche Theorie zur Reibung von Gummi und der zugrundeliegenden Kontaktmechanik entwickelt, die er kontinuierlich erweitert und verfeinert. Mit Modellen, die nach Perssons Theorie erstellt werden, sind Voraussagen über das Verhalten von Gummi bei unterschiedlichen Bedingungen möglich – auch für ungetestete Szenarien.

Eine Vielzahl von unterschiedlichen Faktoren

Perssons Theorie hat nun auch ein Forscherteam der Technischen Universität Wien bestätigt. In Zusammenarbeit mit Hankook Tire untersuchten die Wissenschaftler die Reibung von Gummi auf Eis experimentell. Sie testeten drei verschiedene Gummimischungen für Allwetter- und Winterreifen. Kleine Blöcke dieser Materialien zogen sie über vier verschiedene Eisoberflächen, die sie speziell für das Experiment hergestellt hatten.

Die Rauheit der Eisflächen wurde zuvor präzise mit einem Laserstrahl vermessen. Sie bestimmten dann die Reibung zwischen Gummi und Eis für Bedingungen, die typisch für Autoreifen im Winter auf eisiger Straße sind – bei vier Umgebungstemperaturen zwischen minus 13 und minus 5 Grad Celsius und drei verschiedenen Druckbelastungen, die denen auf Reifen eines PKW entsprachen. Die Geschwindigkeit, mit der sie die Gummiblöcke über das Eis zogen, war immer dieselbe – 65 Zentimeter pro Sekunde, typisch für eine ABS-Bremsung.

Ihre Ergebnisse analysierten die Forscher mithilfe von Perssons Modell. Laut seiner Theorie dominieren zwei unterschiedliche Beiträge die Reibung von Gummi an einer Oberfläche: die Verformung des Gummis durch Unebenheiten der Oberfläche – der sogenannte viskoelastische Beitrag – und Scherkräfte, die parallel zur Kontaktfläche der beiden Materialien wirken – der adhäsive Beitrag. „Beide hängen ab von einer Vielzahl von Einzelfaktoren, die sich zum Teil gegenseitig beeinflussen“, erläutert Persson. „Druck, Temperatur, Geschwindigkeit, Dauer des Kontakts, Rauheit der Eisfläche, Komposition und Elastizität der Gummimischung und andere Faktoren bestimmen, wie genau Eis und Gummi aufeinander einwirken.“

Komplexe Vorgänge auf molekularer Ebene

Ein wichtiges Element der Theorie ist die tatsächliche Kontaktfläche zwischen Eis und Gummi. Wie groß diese jedoch genau ist, lässt sich nicht leicht bestimmen. Denn sowohl Gummi als auch Eis haben keine perfekt glatte Oberfläche, auch wenn sie auf den ersten Blick so erscheinen. „Näher betrachtet zeigen sich kleinste Unebenheiten unterschiedlicher Größe und Tiefe, manche messen Bruchteile von Millimetern, andere nur ein paar Atomlagen“, so Persson.

„Dies bedeutet, dass sich die beiden Oberflächen nur an wenigen Punkten wirklich berühren: Die tatsächliche Kontaktfläche beträgt nur einen Bruchteil der Gesamtfläche.“ Abhängig vom Druck, mit dem die beiden Oberflächen zusammengepresst werden und von der Geschwindigkeit, mit der sie sich übereinander bewegen, können sich kleinere Unebenheiten abschleifen und die Hohlräume zwischen ihnen füllen – die Kontaktfläche wird größer. Wie groß dieser Effekt ist, hängt von der Gummimischung ab, doch auch die Umgebungstemperatur ist ein entscheidender Faktor.

Die Temperatureffekte sind ebenso komplex. Abhängig von Druck und Geschwindigkeit entsteht an den Kontaktpunkten Reibungswärme, oft nur für Mikrosekunden – sogenannte Hotspots. Gibt es viele von ihnen und dauert der Reibungsvorgang an, dann kann sich graduell der gesamte Gummiblock erwärmen. Diese Wärme wiederum kann in das Eis vordringen und es aufweichen, oder sogar zur Bildung eines dünnen Schmelzwasserfilms führen. Ob das passiert, hängt jedoch wieder von der Umgebungstemperatur ab. „Für Straßenbeläge wie Asphalt ist bei normalen Geschwindigkeiten der adhäsive Beitrag zur Reibung sehr wichtig. Doch ein solcher Wasserfilm, selbst wenn er nur ein paar Nanometer dick ist, reduziert die Scherkräfte in diesem Bereich so stark, dass ihr Anteil praktisch vernachlässigt werden kann.“

All diese komplexen Vorgänge auf mikroskopischer und molekularer Ebene werden in Perssons Theorie berücksichtigt. Die Daten der Wiener Wissenschaftler entsprachen den Vorhersagen des Modells beinahe perfekt, bis hin zur unterschiedlichen Druckabhängigkeit der Reibung für die einzelnen Gummimischungen. Bo Persson ist sehr zufrieden mit dem Ergebnis. „Dies legt nahe, dass meine Theorie die tatsächlichen Vorgänge akkurat beschreibt.“

Originalveröffentlichung:

“Rubber Friction on Ice: Experiments and Modeling”
(Tribology Letters, May 2016, DOI: 10.1007/s11249-016-0665-z)

Ansprechpartner:

Dr. Bo Persson
Peter-Grünberg-Institut, Bereich Quantentheorie der Materialien (PGI-1)
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-5143
E-Mail: b.persson@fz-juelich.de

Dr.-Ing. Boris Lorenz
Peter-Grünberg-Institut, Bereich Quantentheorie der Materialien (PGI-1)
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-9523
E-Mail: b.lorent@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-05-19reifen... - Den perfekten Reifen berechnen (Pressemitteilung Mai 2015)
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-12-09-reibu... - Glatteis, neu berechnet (Pressemitteilung Dezember 2015)
http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-1/DE/Home/home_node.html - Peter Grünberg Institut, Bereich Quantentheorie der Materialien (PGI-1)

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Beschichtung lässt Muscheln abrutschen
18.08.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht PKW-Verglasung aus Plastik?
15.08.2017 | Technische Hochschule Mittelhessen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Studie für Patienten mit Prostatakrebs: Einteilung in genomische Gruppen soll Therapie präzisieren

21.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Forscher entwickeln zweidimensionalen Kristall mit hoher Leitfähigkeit

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein neuer Indikator für marine Ökosystem-Veränderungen - der Dia/Dino-Index

21.08.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz