Eine Basketballschuhsohle, die über ein Parkett gleitet, ein Finger auf einer Glasscheibe, eine Fahrradbremse...: Zahlreiche alltägliche Phänomene erzeugen ein Quietschen, das auf die Reibung an der Grenzfläche zwischen einem weichen und einem starren Material zurückzuführen ist.
Der Mechanismus, der diesem Quietschen zugrunde liegt, war nicht vollständig geklärt, und um ihn zu untersuchen, haben Forscher mehrere experimentelle Studien durchgeführt, die zeigen, wie die Reibung zwischen den beiden Materialien das Quietschgeräusch erzeugt.
Illustrationsbild Pixabay
Eine erste Studie konzentrierte sich auf ein einfaches Beispiel: handelsübliche Basketballschuhe, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/s über eine glatte Glasplatte gleiten. Um das Phänomen zu beobachten, zeichnet eine akustische Vorrichtung das emittierte Geräusch auf, während die Grenzfläche zwischen Sohle und Glas mithilfe eines optischen Systems und ultraschneller Bildgebung sichtbar gemacht wird.
Die Studie wies die Existenz von Öffnungsimpulsen nach, also temporären Trennvorgängen an der Grenzfläche, die sich in Gleitrichtung mit etwa 80 m/s ausbreiten – viel schneller als die Gleitgeschwindigkeit – und mit einer Frequenz von etwa 5000 Hz. Dieselbe Frequenz tritt jedoch gleichzeitig im Spektrum des aufgenommenen Geräuschs in der Wiederholungsrate der Impulse auf. Dies verbindet das Quietschgeräusch eindeutig mit der Dynamik der Öffnungsimpulse an der Grenzfläche. Ein ähnliches Verhalten wird beobachtet, wenn man einen Finger über Glas reibt.
Um den Mechanismus weiter zu untersuchen, führte das Team eine weitere Versuchsreihe mit Silikonblöcken genau definierter Abmessungen (40 × 40 × 20 mm) durch, die sie unter kontrollierter Normalspannung und Zugkraft über starre, glatte Unterlagen gleiten ließen. Dasselbe Phänomen der Ausbreitung von Öffnungsimpulsen wurde beobachtet, und die Messungen zeigten, dass sich diese Impulse mit hohen Geschwindigkeiten ausbreiten, die mit der Geschwindigkeit der Scherwellen im weichen Material vergleichbar sind (etwa 22–24 m/s für das verwendete Silikon).
Wenn die Gleitfläche des Silikonblocks eben ist, sind die Impulse ungeordnet. Ihre komplexe Dynamik führt zu einer breitbandigen Schallemission: ein Geräusch ohne dominante Frequenz. Als die Forscher jedoch feine parallele Rippen, also Zinnen, auf der Gleitfläche des weichen Blocks erzeugten, beobachteten sie, dass die Öffnungsimpulse räumlich begrenzt sind und sich entlang dieser Zinnen ausbreiten.
Prinzipskizze des Versuchsaufbaus zur Visualisierung der Wellen an der Reibungsgrenzfläche zwischen Schuhsohle und einer festen Platte.
© V. Tournat
Die Impulse werden nun regelmäßig mit konstanter Wiederholungsrate erzeugt, und die Zinnen wirken als Wellenleiter. Das Quietschgeräusch ist klar und tonal. Die Geometrie der Zinnen hat wenig Einfluss auf die emittierte Grundfrequenz, die stattdessen von der Höhe des Silikonblocks abhängt.
Das Team stellte daraufhin eine Reihe gezahnter Blöcke her, die jeweils einen anderen Ton erzeugen, wenn sie über Glas gleiten. Ähnliche Beobachtungen wurden mit anderen weichen Materialien wie einem Elastomeren und einem thermoplastischen Polyurethan gemacht.
Diese Ergebnisse könnten über die Erklärung des Quietschmechanismus hinaus ermöglichen, ihn zu kontrollieren – sei es, um ihn zu unterdrücken oder seine Frequenz für Zwecke der Erkennung oder Diagnose zu wählen. Die Strukturierung von Oberflächen eröffnet auch neue Wege, die Reibung durch ein feines Management des Bruchs an der Grenzfläche zu verringern oder zu modulieren.
Schließlich bietet diese Studie einen neuen experimentellen Einblick in Reibung und Bruch zwischen zwei Materialien, der für die Forschung in der Geophysik und der Dynamik von Erdbeben von Interesse sein könnte.
Schematische Darstellung der Phänomene, die im Quietschexperiment eine Rolle spielen, wenn ein weicher Festkörper über eine starre Oberfläche gezogen wird.
© V. Tournat CNRS INSIS