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28.12.2015

Warum ist Glatteis so glatt? - Mathematisches Modell für Reibung auf Eis


Was dem Wintersportler eine Freude, ist Autofahrern oder Fußgängern ein Ärgernis: Die Glätte von Eis. Ein neues mathematisches Modell von Bo Persson vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI) beschreibt nun, warum Eis so glatt ist. Die Anwendung der neuen Berechnungen könnte besser gleitende Ski und Kufen ermöglichen, aber auch helfen, Schuhsohlen und Autoreifen auf Glatteis nicht mehr so stark wie bisher ins Rutschen kommen zu lassen.

Erst seit etwa einhundertundfünfzig Jahren beschäftigen sich Wissenschaftler mit der Frage, wie es dazu kommt, dass Eis überhaupt so rutschig ist. Andere Festkörper aus Metall oder Kunststoffen bieten - auch wenn sie perfekt glatt geschliffen sind - deutlich mehr Reibungswiderstand als Eis. Aus dem Schwimmbad weiß man allerdings: Bringt man Wasser ins Spiel, dann verwandeln sich Fliesen in eine Rutschbahn. Auch bei Eis machen Forscher eine dünne Wasserschicht auf der Oberfläche für die Glätte verantwortlich. "Um den Effekt dieser dünnen Wasserschicht in eine Formel zu packen, müsste man Genaueres über sie wissen. Das große Problem bei allen Theorien zur Reibung ist aber, dass man die Reibungsfläche selbst nur sehr schwer untersuchen kann", erläutert Persson. "Denn die Kontaktregion der sich berührenden Flächen ist verborgen."

Rutschende Wasseratome

Für seine Berechnungen nutzte Persson daher bekannte Eigenschaften von freien Eisoberflächen und die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen, die andere Forschergruppen zur Reibung auf Eis durchgeführt hatten. Seine Vermutung: Auch an der unzugänglichen Kontaktfläche des Eises könnte eine dünne, angetaute Schicht Wasser vorliegen, die kaum Widerstand gegen Scherkräfte aufweist. In anderen Worten: Bei Belastungen quer zur Oberfläche, wie sie durch ein bewegtes Objekt auf dem Eis ausgeübt werden, gleiten diese angetauten Atomlagen ganz leicht übereinander - das Eis ist glatt. Persson: "Selbst eine nur wenige Nanometer - also wenige Atome - dicke Schicht von angetautem Wassereis genügt, um die sogenannten Scherkräfte, die für die Reibung verantwortlich sind, erheblich herabzusetzen."

Persson hat basierend auf diesen Annahmen erstmals ein mathematisches Modell entwickelt, dass die Reibungskraft zwischen einer Eisschicht und einem darauf befindlichen bewegten Körper beschreibt. "Ich habe ein phänomenologisches Gesetz über die Scherkräfte aufgestellt, das in der Lage ist, die Reibungskraft von Eis in Abhängigkeit von der Gleitgeschwindigkeit und der Temperatur über große Geschwindigkeits- und Temperaturbereiche zu beschreiben", sagt Persson. "Mit diesem Gesetz könnte es in Zukunft auch möglich sein, Materialien für besonders glattes oder besonders rutschfestes Verhalten auf Eis zu optimieren." Persson arbeitet nun daran, das Reifenmaterial schlechthin- Gummi - in seine Berechnungen mit einzubeziehen.

Wasser auf Eis

Erste experimentelle Untersuchungen zu Wasser auf Eis führte der Pionier der Eisoberflächenforschung, Michael Faraday, bereits im Jahr 1859 durch. Er zeigte in einem einfachen Versuch, dass die Oberfläche von Wassereis angetaut ist: Bringt man zwei Eiswürfel zusammen, dann verkleben sie sofort. Ursache ist eine vermutlich eine nur wenige Atomlagen dicke Schicht von flüssigem oder beinahe flüssigem Wasser. Bei Kontakt gefriert es und stellt so eine feste Verbindung zwischen den Eiswürfeln her. Bei Kontakt anderer Materialien mit Eis weisen neuere Experimente darauf hin, dass vor allem die Wärme durch Reibung eine dünne Schicht Eis antauen kann und so zu einem Wasserfilm führt.

Übrigens: Der hohe Druck der Schlittschuhkufe, der in der Vergangenheit und in einigen Lehrbüchern der Physik auch noch heute als Ursache angegeben wird, ist allerdings - wenn überhaupt - nur eine Nebenursache für den Wasserfilm auf Glatteis.

—> Originalpublikation

Quelle: Forschungszentrum Jülich - Peter-Grünberg-Institut (PGI)




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