Wie Papier zerreißt: Rissgeräusche ebenen Weg zu festen Werkstoffen

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Sitzen drei finnische Physiker im Labor und zerreißen Zeitungen… Was wie ein Witz über forschende Skandinavier beginnen könnte, ist in Wirklichkeit die Beschreibung eines ernsthaften Versuches. So analysierten Lauri Salminen und seine beiden Kollegen von der Technischen Universität Helsinki die Geräusche, die beim Zerreißen von Papier auftreten. Aus den Ergebnissen, die sie im renommierten Fachblatt Physical Review Letters veröffentlichten, können Hinweise gewonnen werden, um inhomogene Materialien und Kunststoffe widerstandsfähiger gegen Belastung zu machen.

Wie breitet sich ein Riss in einem inhomogenen Material aus und welche Eigenschaften hat die akustische Emission, beschreibt Salminen die grundlegenden Fragen ihrer Untersuchung. Da sich im Papier mit seiner ungleichen Verteilung von Fasern sowohl plastische als auch bruchempfindliche Bereiche befinden, können die einzelnen Blätter als gutes Modell für viele andere Werkstoffe dienen.

“Eine Analogie im großen Maßstab besteht zu Erdbeben”, erläutert Salminen. Das eigentliche Rissgeräusch setzt sich aus vielen, sehr kurzen Bruchereignissen zusammen. Wenn durch eine Belastung winzige Zonen im Papier brechen, wandelt sich gespeicherte Energie in Schallwellen um. Grob betrachtet, scheinen die kleinen Schallexplosionen wahllos verteilt, und in ihrer Länge und Lautstärke mehr oder weniger zufällig zu sein.

Doch Salminen und seine Kollegen wollen nun diese Summe der Schallwellen in eine mathematische Beschreibung pressen. Eine exponentielle Verteilung zeigt, dass laute Minirisse unwahrscheinlicher sind als moderate. Auch der Zeitabstand zwischen zwei solchen Schallwellen ist eher kürzer als länger. Auf der Basis solcher Exponential-Verteilungen können theoretische Modelle zur Festigkeit von Werkstoffen gewonnen werden.

Das “gehörte” Verhalten von Papier unterscheidet sich deutlich von allen bekannten Modellen, die beispielweise das Zerbrechen von Glas beschreiben. Gelingt Salminen nun die exakte theoretische Beschreibung des Papierreißens, können daraus Strategien abgeleitet werden, bekannte Werkstoffe stabiler und widerstandfähiger gegen Belastungen zu gestalten.

Jan Oliver Löfken

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