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Freitag, 09.12.2016
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Skurril: Platzende Luftballons als Forschungsobjekt

Forscher ergründen die Physik hinter zerplatzenden Ballons und ihren Fetzenformen

Physik mit Knalleffekt: Wenn ein Luftballon zerplatzt, knallt es nicht nur, der Ballon hinterlässt auch Gummifetzen. Warum dies mal nur ein großer Fetzen ist, mal aber viele, haben Physiker nun im Experiment herausgefunden. Demnach spielt der Druck dafür eine entscheidende Rolle. Was wie Spielerei anmutet, hat dabei durchaus wissenschaftliche Relevanz. Denn zu verstehen, wie und wann sich Risse bilden und ein Objekt zerplatzt, ist für die Anwendungen in Technik und Materialforschung entscheidend.
Ein Luftballon zerplatzt entweder mit einem Riss oder durch viele verzweigte

Ein Luftballon zerplatzt entweder mit einem Riss oder durch viele verzweigte

Die Idee zum Experiment kam Sébastien Moulinet von der Universität Paris, als er eine Highspeed-Aufnahme eines zerplatzenden Luftballons anschaute. Die Fotografie zeigte ein Netzwerk aus erstaunlich regelmäßigen Rissen in der Gummihaut des halb aufgeplatzten Ballons. Das machte den Physiker neugierig. Gemeinsam mit seinem Kollegen Mokhtar Adda-Bedia entschloss er sich daher, das Platzverhalten der Luftballons genauer zu untersuchen.

Für ihr Experiment spannten sie eine dünne Gummimembran über ein Gasventil und bliesen diese auf diese Weise auf. Darüber befestigten sie eine scharfe Klinge, die den sich aufblähenden Ballon anbohrte, wenn dieser sich bis dorthin aufgebläht hatte. Indem die Forscher den Abstand der Klinge variierten, konnten sie den Ballon bei unterschiedlich hohem Füllstand und damit Druck zum Platzen bringen.

Nur zwei Varianten


Das überraschende Ergebnis: Ein Gummiballon zerplatzt keineswegs chaotisch und zufällig, sondern immer auf eine von nur zwei Arten: Entweder reißt er in der Mitte auf und nur ein großer Riss spaltet die Gummihaut. Übrig bleibt in diesem Falle ein großer Fetzen. In der zweiten Variante verzweigt sich der anfängliche Riss und bildet ein fast regelmäßiges Muster aus Rissen, das den Ballon in viele kleine Fetzen zerplatzen lässt.


Die zwei Arten, wie ein Luftballon zerplatzen kann


Wann welche Variante auftritt, ist dabei alles andere als zufällig, wie die Experimente ergaben: Ist der Luftdruck im Ballon noch relativ niedrig, wenn er angepiekst wird, bildet sich nur ein großer Riss. Ist der Ballon aber voll aufgeblasen und die Gummihaut stark gespannt, dann kann sich der einzelne Riss nicht schnell genug ausbreiten, um die Spannungen abzubauen. As Folge wird er instabil und beginnt sich zu verzweigen.

Die Spannung ist entscheidend


"Wir haben beobachtet, dass das Platzen einer stark gedehnten Membran ein baumartig verzweigtes Rissmuster hinterlässt", berichten die Forscher. Bei runden, voll aufgepumpten Luftballons erzeugt dies ein regelmäßiges Netzwerk von Rissen, das an die Rippen eines Brustkorbs erinnert. In der Versuchsanordnung mit der gerade gespannten Gummimembran entstand ein eher kreisförmiges Rissmuster, das einem vielarmigen Oktopus ähnelte.

Entscheidend für die Entstehung dieser komplexeren Rissmuster ist dabei nicht der Luftdruck im Inneren des Ballons, sondern die Spannung der Gummihaut. Daher beeinflusst auch die Dicke der Membran und die Biegung des Materials, wann der Übergang von einem einzigen Riss zu vielen kleinen verzweigten stattfindet. "Die Fragmentierung geschieht, wenn die Riss-Spitze eine kritische Geschwindigkeit erreicht", erklären die Forscher. "Ab dann wird eine Teilung des Risses die einzige Möglichkeit, noch mehr von der gespeicherten elastischen Energie freizusetzen."

Ihre Erkenntnisse sind dabei mehr als nur Spielerei: Sie helfen dabei, auch Reißprozesse anderer Materialien besser zu verstehen. "Angesichts des allgemeinen Charakters dieses Fragmentierungsprozesses, ist das Prinzip auch auf andere Riss-Netzwerke spröder Materialien anwendbar", erklären Moulinet und Adda-Bedia. (Physical Review Letters, 2015; doi: 10.1103/PhysRevLett.115.184301)
(CNRS (Délégation Paris Michel-Ange), 03.11.2015 - NPO)
 
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