A22 Verschleiß von Mikro-/Nanostrukturen

Thema

Die Haftborsten des Insekts unterliegen bei jedem Gang über raue Oberflächen einem fortschreitenden mechanischen Verschleiß, der sich mit jedem Schritt der Fortbewegung verstärkt. Das Archardsche Gesetz beschreibt diesen Verschleiß: Das Volumen der abgetragenen Borsten ist proportional zur Normalkraft, die auf die Borsten wirkt, und zur Gleitstrecke über die Oberfläche, aber umgekehrt proportional zur Härte dieser Oberfläche. So verschleißt eine Gesteins- oder Betonoberfläche die Haftborsten deutlich stärker als eine glatte Glasoberfläche.

Mit jeder Verkürzung der Haftborsten durch diesen Verschleiß verschiebt sich auch ihr optimaler Steifigkeitspunkt: Kürzere Borsten werden steifer, und diese erhöhte Steifigkeit verringert ihre Fähigkeit, sich den Unebenheiten der Oberfläche anzupassen.

Derselbe Längenverlust wirkt sich auch direkt auf die Haftung des Pilzes aus: Je kürzer der Pilz wird, desto kleiner ist der Kontaktradius zur Oberfläche – wie in der Hertzschen Kontakttheorie beschrieben – und die Haftung nimmt stärker ab als der Längenverlust. Ein Pilz, der sich beispielsweise auf 80 Prozent seiner ursprünglichen Länge verkürzt, behält nur noch 72 Prozent seiner ursprünglichen Haftkraft: Der Haftungsverlust ist proportional größer als der ihn verursachende Längenverlust.

An den Spitzen haftender Pilze hinterlässt der Verschleiß noch eine weitere Spur: Es bilden sich submikronäre Risse, die mit jedem Ermüdungszyklus, also mit jedem Zyklus von Anhaften und Ablösen, den der Pilz an der Oberfläche durchführt, wachsen. Diese Risse wachsen nicht mit konstanter Geschwindigkeit, sondern beschleunigen sich mit zunehmender Rissgröße gemäß dem Paris-Erdogan-Gesetz: Je größer ein Riss bereits ist, desto schneller wächst er im nächsten Zyklus weiter.

Das beschleunigte Wachstum dieser Risse bestimmt letztendlich die Lebensdauer eines haftenden Pilzes: Die Coffin-Manson-Lebensdauer prognostiziert die Gesamtzahl der Anhaften- und Ablösezyklen, die der haftende Pilz vor dem Versagen aushält, basierend auf dem Grad der Verformung in jedem Zyklus. Je größer die Verformung pro Zyklus, desto weniger Zyklen kann der Klebepilz überstehen, bevor der an seiner Spitze wachsende Riss ihn unbrauchbar macht und damit der Verschleißprozess abgeschlossen ist, der damit begann, dass der Pilz einfach an einer abrasiven Oberfläche rieb.

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