D25 Kontakttribometrie

Thema

Der Verschleiß und die Reibung, die die Haftborsten von Insekten beim Gleiten über verschiedene Untergründe erfahren, erfordern eine präzise Charakterisierung dieses Verhaltens mittels Tribometrie. Diese Technik erfasst detailliert die Reibung am Kontaktpunkt zwischen Borstenspitze und Oberfläche.

Diese Reibung am Kontaktpunkt der Borsten folgt nicht dem klassischen Gesetz der Trockenreibung, nach dem die Reibungskraft proportional zur aufgebrachten Normalkraft wäre. Stattdessen folgt sie einer erweiterten Version nach Derjagin, die einen zusätzlichen Term aufgrund der Adhäsion berücksichtigt. Das bedeutet, dass Reibung auch dann auftritt, wenn die Normalkraft null oder sogar leicht negativ ist, da die Adhäsion selbst den Kontakt zwischen Borsten und Oberfläche aufrechterhält.

Dieses Verhalten, das sich so stark vom herkömmlichen Trockenkontakt unterscheidet, ist charakteristisch für bioadhäsive Systeme im Allgemeinen. Es ermöglicht den Insektenborsten, beträchtliche tangentiale Scherkräfte zu überstehen, ohne dass eine Normalkraft benötigt wird, um sie gegen die Oberfläche zu drücken. Sie verlassen sich stattdessen allein auf die Adhäsionskraft, um den Kontakt aufrechtzuerhalten. Wenn sich ein Insektenbein langsam über eine Oberfläche bewegt, kann die Reibung durch Haftkontakt auf zwei unterschiedliche Arten auftreten. Das Prandtl-Tomlinson-Modell ermöglicht die Vorhersage, welche davon eintritt: ein gleichmäßiges, kontinuierliches Gleiten oder ein Haft-Gleit-Verhalten, bei dem die Borsten kurzzeitig an der Oberfläche haften bleiben und dann in einzelnen Sprüngen vorwärts schnellen, bevor sie erneut haften.

Bei hohen Gleitgeschwindigkeiten erzeugt die Reibung selbst eine zusätzliche lokale Erwärmung an der Borstenspitze, die sogenannte Blitztemperatur. Dieser Effekt ist besonders relevant für Insekten, die auf heißen Oberflächen laufen, da diese zusätzliche Erwärmung die Eigenschaften der Haftwachsschicht an der Borstenspitze verändern kann.

Bei der gesamten Reibung im Kontakt des Pilzes, sei es im kontinuierlichen Gleitbetrieb oder im Haft- und Gleitbetrieb, wird in jedem Bewegungszyklus eine bestimmte Energiemenge dissipiert, die durch die Fläche der Reibungsschleife repräsentiert wird. Diese Energie kann nicht zurückgewonnen werden und muss daher vom Insekt ständig ersetzt werden, damit sich das Bein Zyklus für Zyklus auf der Oberfläche fortbewegen kann.

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