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 Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen
27.06.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der Krümmung einen Schritt voraus

27.06.2017 | Informationstechnologie

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Überschwemmungen genau in den Blick nehmen

27.06.2017 | Informationstechnologie