Aktuelles

Die Physik zerknüllten Papiers

Knäuel zeigt überraschendes Verhalten / Einfaches Potenzgesetz

Von Rainer Scharf

Täglich werden Unmengen von Papier zerknüllt und achtlos weggeworfen. Doch das zusammengedrückte Papier zeigt erstaunliche Eigenschaften, wie Untersuchungen von Wissenschaftlern der University of Chicago zeigen. Selbst wenn man eine Papierkugel so fest wie möglich zusammenknüllt, besteht sie immer noch zu rund 75 Prozent aus Luft. Gleichwohl erhält man ein komplexes Gebilde, das dem einwirkenden Druck einen überraschend großen Widerstand entgegensetzt. Mit zunehmendem Druck bildet sich ein immer dichteres Netz von Ecken und Kanten, die die aufgewendete Energie aufnehmen. Schließlich wird der Prozeß so energiezehrend, daß er zum Stillstand kommt und das Papierknäuel sich nicht weiter zusammendrücken läßt.

Um die Vorgänge besser verstehen zu können, haben Sidney Nagel und seine Kollegen ein Stück einer zehn Mikrometer dicken, mit Aluminium beschichteten Polyesterfolie von Hand zerknüllt und in einen durchsichtigen Plastikzylinder gequetscht. Mit einem Kolben, der mit einem Gewicht beschwert war, wurde die Folie weiter zusammengedrückt. Auf einer Millimeterskala konnten die Forscher die Höhe des Folienknäuels in dem Zylinder ablesen.

Dabei erlebten die Forscher um Nagel einige Überraschungen. Während das Folienknäuel in den ersten Sekunden des Experiments um mehrere Millimeter zusammengequetscht werden konnte, benötigte man für die jeweils nächsten Millimeter zunächst Stunden und schließlich Tage. Selbst nach einigen Wochen gab die Folie noch unter dem Druck des Kolbens nach ("Physical Review Letters", Bd. 88, Nr. 076101). Es mußten in dem Folienknäuel selbst noch nach Tagen langsame Deformationsvorgänge ablaufen, die die Folie nach und nach zerknitterten. Wie es zu diesem Verhalten kommt, ist allerdings bislang noch unklar.

Die Forscher haben anschließend systematisch untersucht, wie stark unterschiedlich große Gewichte die Folie zusammendrücken. Dazu preßten sie das Folienknäuel zunächst mit einem Gewicht von einem Kilogramm einen Tag lang zusammen. Als sie es entfernten, dehnte sich das Folienknäuel wieder aus. Dann legten die Forscher nach und nach verschiedene kleinere Gewichte von insgesamt einem Kilogramm auf. Dabei stellte man fest, daß ein einfacher Zusammenhang zwischen dem einwirkenden Gewicht und der sich einstellenden Höhe des Folienknäuels bestand. Wurde die Masse vervierfacht, so nahm die Differenz der Höhen auf die Hälfte ab.

Mit dem einfachen Potenzgesetz konnte das Verhalten des Folienknäuels allerdings nur grob beschrieben werden. Im Detail weicht es von den Messungen ab. Das liegt möglicherweise daran, daß beim Zusammenquetschen der Folie Reibungskräfte und unelastische Deformationen auftreten, die man noch nicht berücksichtigt hat. Die zerknüllten Folien und Papierblätter bergen also noch eine Reihe Geheimnisse. 
 
Frankfurter Allgemeine Zeitung, 02.03.2002, Nr. 52 / Seite 42

>>> Zur Startseite