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 Sparsamer abheben dank Leichtbau-Luftdüsen
23.10.2017 | Technische Universität Chemnitz

nachricht Stickoxide: Neuartiger Katalysator soll Abgase ohne Zusätze reinigen
23.10.2017 | Forschungszentrum Jülich GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Salmonellen als Medikament gegen Tumore

HZI-Forscher entwickeln Bakterienstamm, der in der Krebstherapie eingesetzt werden kann

Salmonellen sind gefährliche Krankheitserreger, die über verdorbene Lebensmittel in den Körper gelangen und schwere Infektionen verursachen können. Jedoch ist...

Im Focus: Salmonella as a tumour medication

HZI researchers developed a bacterial strain that can be used in cancer therapy

Salmonellae are dangerous pathogens that enter the body via contaminated food and can cause severe infections. But these bacteria are also known to target...

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Konferenz IT-Security Community Xchange (IT-SECX) am 10. November 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Luftfracht

23.10.2017 | Veranstaltungen

Ehrung des Autors Herbert W. Franke mit dem Kurd-Laßwitz-Sonderpreis 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Magma sucht sich nach Flankenkollaps neue Wege

23.10.2017 | Geowissenschaften

Neues Sensorsystem sorgt für sichere Ernte

23.10.2017 | Informationstechnologie

Salmonellen als Medikament gegen Tumore

23.10.2017 | Biowissenschaften Chemie