Mechanik : Theoretisch bruchsicher verpackt
Rechtzeitig zum Osterfest verkündet ein Wissenschaftler, er habe den Trick gefunden, wie zerbrechliche Ware sicher vor den unweigerlichen Stößen und Schlägen des Transports in der Kiepe des Osterhasen zu schützen sei. Zumindest ließe sich seine Idee auch für diesen saisonal eingeschränkten Zweck nutzen.
© wissenschaft-online (Ausschnitt)
Wer etwas richtig kaputt machen will, haut einmal mit ordentlich Schwung zu – das garantiert auf der Zerstörungsskala einen größeren Efekt als eine Vielzahl kleiner Stöße. Nach diesem Prinzip schlagen Handwerker Nägel in die Wand und zertrümmern Kampfsportler Holzbretter. Was aber, wenn es gar nicht darum geht, etwas kaputt zu machen, sondern es im Gegenteil gegen zerstörerische Energien zu schützen? Für diesen Fall drehen wir die Reihenfolge doch einfach um, hat sich der theoretische Physiker Jongbae Hong von der Seoul National University in Südkorea womöglich gedacht und mit einem Computermodell berechnet, wie sich ein kräftiger Stoß abmildern lässt.
Ganz in der üblichen Herangehensweise der theoretischen Physik vereinfachte Hong das Problem zunächst so weit, dass auf den ersten Blick kaum etwas davon übrig blieb. An die Stelle einer Schutzmappe oder -wand setzte er eine Reihe von Kugel, die direkt hintereinander angeordnet waren. So eine Kette hat einige bekannte seltsame Eigenschaften. Stehen die Kugeln beispielsweise kaum in Kontakt zueinander, transportieren sie eine gewöhnliche Schallwelle nicht von einem Ende zum anderen, sondern schlucken die Schwingung unterwegs. Einen plötzlichen starken Stoß geben sie dagegen nahezu ohne Energieverlust weiter – eine so genannte Solitonwelle.
Interessant wird es, wenn leichtere und schwerere Kugeln in der Reihe sind. Kommt der Stoß dann von den leichteren Exemplaren, wird nur ein Teil seiner Energie auf die schwere Kugel überragen. Der Rest wird reflektiert und wandert zurück. Wer als Kind einmal gegen den Bauch seines Onkels gesprungen und davon abgeprallt ist, kennt diesen Effekt. Nähert sich die Solitonwelle hingegen von den schweren Kugeln und geht auf die leichteren über, so spaltet sich ihre Energie in eine Folge schwächerer Stöße auf.
Diese beiden Phänomene kombinierte Hong in seinen Simulationen zu einem idealen Stoßdämpfer. Er modellierte eine Reihe aus schweren Kugeln an den beiden Enden, gefolgt von mittelschweren und ganz leichten, welche den zentralen Teil bildeten. Ein kräftiger Stoß gegen eines der Enden setzte die Kugeln in Bewegung. Auf ihrem Weg in die Reihe hinein zergliederte sich die Solitonwelle an den Übergängen in lauter kleinere Einzelwellen, die im Bereich hinter der Mitte beim Wechsel zu den schwereren Kugeln reflektiert wurden. Nur ein kleiner Teil der Energie erreichte das andere Ende direkt. Das meiste wurde erst hin und her geworfen, bevor es in verspäteten Portionen nach und nach ebenfalls die Reihe verlassen konnte.
Hongs Kette nimmt also kurzzeitige Stöße auf, zerlegt sie in kleine Energiepakete und liefert diese verzögert ab, wodurch die zerstörerische Wirkung stark vermindert ist. Genau das, was Lieferanten empfindlicher Waren, Attentats-gefährdete Personen, Hersteller von Stoßstangen und -dämpfern sich wünschen. Schade nur, dass bislang alles nur im Computer abgelaufen ist. Auf einen entsprechenden Prototypen werden wir vermutlich noch eine Weile warten müssen. Zumindest diese Ostern ist darum Vorsicht angesagt beim Verstecken und Suchen der bunten Eier.
Ganz in der üblichen Herangehensweise der theoretischen Physik vereinfachte Hong das Problem zunächst so weit, dass auf den ersten Blick kaum etwas davon übrig blieb. An die Stelle einer Schutzmappe oder -wand setzte er eine Reihe von Kugel, die direkt hintereinander angeordnet waren. So eine Kette hat einige bekannte seltsame Eigenschaften. Stehen die Kugeln beispielsweise kaum in Kontakt zueinander, transportieren sie eine gewöhnliche Schallwelle nicht von einem Ende zum anderen, sondern schlucken die Schwingung unterwegs. Einen plötzlichen starken Stoß geben sie dagegen nahezu ohne Energieverlust weiter – eine so genannte Solitonwelle.
Interessant wird es, wenn leichtere und schwerere Kugeln in der Reihe sind. Kommt der Stoß dann von den leichteren Exemplaren, wird nur ein Teil seiner Energie auf die schwere Kugel überragen. Der Rest wird reflektiert und wandert zurück. Wer als Kind einmal gegen den Bauch seines Onkels gesprungen und davon abgeprallt ist, kennt diesen Effekt. Nähert sich die Solitonwelle hingegen von den schweren Kugeln und geht auf die leichteren über, so spaltet sich ihre Energie in eine Folge schwächerer Stöße auf.
Diese beiden Phänomene kombinierte Hong in seinen Simulationen zu einem idealen Stoßdämpfer. Er modellierte eine Reihe aus schweren Kugeln an den beiden Enden, gefolgt von mittelschweren und ganz leichten, welche den zentralen Teil bildeten. Ein kräftiger Stoß gegen eines der Enden setzte die Kugeln in Bewegung. Auf ihrem Weg in die Reihe hinein zergliederte sich die Solitonwelle an den Übergängen in lauter kleinere Einzelwellen, die im Bereich hinter der Mitte beim Wechsel zu den schwereren Kugeln reflektiert wurden. Nur ein kleiner Teil der Energie erreichte das andere Ende direkt. Das meiste wurde erst hin und her geworfen, bevor es in verspäteten Portionen nach und nach ebenfalls die Reihe verlassen konnte.
Hongs Kette nimmt also kurzzeitige Stöße auf, zerlegt sie in kleine Energiepakete und liefert diese verzögert ab, wodurch die zerstörerische Wirkung stark vermindert ist. Genau das, was Lieferanten empfindlicher Waren, Attentats-gefährdete Personen, Hersteller von Stoßstangen und -dämpfern sich wünschen. Schade nur, dass bislang alles nur im Computer abgelaufen ist. Auf einen entsprechenden Prototypen werden wir vermutlich noch eine Weile warten müssen. Zumindest diese Ostern ist darum Vorsicht angesagt beim Verstecken und Suchen der bunten Eier.
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