Reibung: Lag da Vinci falsch?

Widerspruch zur Theorie: Schon Leonardo da Vinci postulierte, dass die Reibung linear mit dem Andruck und der Kontaktfläche zunimmt. Doch jetzt belegt ein Experiment: Da Vinci hatte nur zum Teil recht. Denn die Reibungskraft ist zwar proportional zur realen Kontaktfläche, aber nicht zum Druck. Bestehende Theorien der physikalischen Reibung müssen damit überarbeitet werden.

Reibung ist für ein Drittel des gesamten Energieverbrauchs auf dieser Welt verantwortlich. Deswegen wollen Forscher schon lange verstehen, wovon die Reibung abhängt und wie sie reduziert werden kann. Bereits Leonardo da Vinci wusste, dass die Reibung proportional zum Druck ist. Das heißt: Werden zwei sich bewegende Oberflächen zweimal so stark gegeneinander gedrückt, verdoppelt sich auch die Reibung. Doch dieses Schulwissen steht jetzt auf dem Prüfstand.

Fluoreszenz macht Druck sichtbar

Um die Reibung zu verstehen, muss man ganz genau hinschauen. Denn Oberflächen sind nie vollkommen glatt. Selbst augenscheinlich glatte Flächen sehen auf mikroskopischer Ebene aus wie Mondlandschaften, übersät mit winzigen Hügeln und Kratern. Wissenschaftler um Bart Weber von der University of Amsterdam haben nun eine Technik entwickelt, um diese Hügel besser sichtbar zu machen. So haben sie da Vincis Gesetz genauer unter die Lupe genommen.

Das Experiment: Eine raue Kunststoffkugel wird auf eine flache Glasfläche gepresst. Rechts die Mikrostruktur der Oberflächen. © University of Amsterdam

Um Reibung im Detail zu untersuchen, haben die Forscher in ihren Experimenten zwei Oberflächen gegeneinander gedrückt: Eine glatte Glasfläche und eine raue, kugelförmige Sphäre. Das Glas beschichteten sie mit Molekülen, die – wenn unter Druck gesetzt – fluoreszierten. Unter dem Mikroskop konnten die Forscher dann ganz genau kartieren, wo die Hügelspitzen der rauen Sphäre das Glas berührten und wie der Kontakt sich änderte, wenn sie mehr Druck ausübten.

Überraschend anders

Das Ergebnis: Bei wenig Druck leuchteten nur wenige Punkte auf – nur einzelne Hügelspitzen berührten also das Glas. Erhöhte sich der Druck, nahm auch das Leuchten und damit die Kontaktfläche zu. Das Leuchten bereits bestehender Kontaktstellen dehnte sich aus und neue Kontakte anderer Hügelspitzen erschienen. Der Grund: Durch den Druck verformten sich die elastischen Hügelspitzen, flachten ab und nahmen mehr Fläche ein.

Doch eines überraschte die Forscher: Bisher nahm man an, dass sich die Kontaktfläche bei steigendem Druck linear vergrößert. Verdoppelt sich der Druck, dann verdoppelt sich demnach auch die Kontaktfläche und damit die Reibung – so vermutete es schon da Vinci. Aber in ihrem Experiment bestätigte sich dies nicht. Entgegen den Annahmen nahm die Kontaktfläche nicht linear mit dem Druck zu. Ab einem bestimmten Druck verlangsamte sich stattdessen das Wachstum der Kontaktfläche.

Hatte da Vinci Unrecht?

Hatte da Vinci Unrecht? „Wir haben in der Tat festgestellt, dass diese Regel gebrochen wird“, sagen Weber und seine Kollegen. „Die statische Reibungskraft ist zwar proportional zur realen Kontaktfläche, aber nicht zum Druck.“

Der Grund ist die elastische Verformung des Materials im Mikromaßstab, wie die Forscher erklären. Die „Hügelspitzen“ der Oberfläche beeinflussen sich gegenseitig und verhärten sich, wenn der Druck steigt. Diese Verhärtung führt dazu, dass – ab einem bestimmten Druckpunkt – die Kontaktoberfläche langsamer zunimmt. Die Verhärtung unterbricht demnach die direkte Abhängigkeit zwischen Druck und Reibung.

Ergebnisse in Acrylglas in Teflon bestätigt

Die Forscher erwarten, dass fast alle Materialien sich so verhalten werden, wie sie es in ihren Experimenten beobachtet haben. Sie testeten ihre Theorie an den Kunststoffen Acrylglas und Teflon und kamen zu den gleichen Ergebnissen. Mit dem neuen Wissen wollen sie nun unter anderem Probleme im Maschinenbau lösen. (Nature Communications, 2018; doi: 10.1038/s41467-018-02981-y)

(University of Amsterdam, 05.03.2018 – YBR)