Neue Entdeckung zeigt, dass Zugrisse klassische Geschwindigkeitsgrenzen zerbrechen können und sich annähernd an Überschallgeschwindigkeiten bewegen können.

27. Juli 2023

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von der Hebräischen Universität Jerusalem

Forscher am Racah Institute of Physics der Hebräischen Universität Jerusalem haben eine Entdeckung gemacht, die das konventionelle Verständnis der Bruchmechanik infrage stellt. Das Team unter der Leitung von Dr. Meng Wang, Dr. Songlin Shi und Prof. Jay Fineberg hat experimentell die Existenz von 'Supershear'-Zugrissen nachgewiesen, die die klassischen Geschwindigkeitsgrenzen überschreiten und sich annähernd mit Überschallgeschwindigkeiten fortbewegen. Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht. 

Traditionell versagen spröde Materialien durch die schnelle Ausbreitung von Rissen. Die klassische Bruchmechanik beschreibt die Bewegung von Zugrissen, die elastische Energie in einer lokalen Zone an ihren Spitzen freisetzen und ihre Geschwindigkeit auf die Rayleigh-Wellengeschwindigkeit (CR) begrenzen. Die jüngsten Erkenntnisse der Forscher der Hebräischen Universität deuten jedoch auf einen Paradigmenwechsel in diesem Verständnis hin.

Bei ihren Experimenten mit spröden neo-Hooke'schen Materialien identifizierte das Team das Auftreten von 'Supershear'-Zugrissen, die reibungslos über die klassische Geschwindigkeitsgrenze von CR hinaus beschleunigen. Überraschenderweise wurden festgestellt, dass diese Risse auch die Scherwellengeschwindigkeit (cS) überschreiten. In bestimmten Fällen erreichten die Geschwindigkeiten dieser Supershear-Risse annähernd die Dilatationswellengeschwindigkeit und zeigten Phänomene, die in der klassischen Bruchmechanik zuvor nicht beobachtet wurden.

Eine der bemerkenswertesten Aspekte der Entdeckung ist die Beobachtung, dass die Dynamik von Supershear-Rissen von anderen Prinzipien geleitet wird als die von klassischen Rissen. Diese nicht-klassische Art des Zugbruchs ist kein zufälliges Phänomen, sondern wird bei kritischen Dehnungsniveaus angeregt, die von den Materialeigenschaften abhängen.

"Diese Erkenntnis stellt eine grundlegende Veränderung unseres Verständnisses des Bruchprozesses in spröden Materialien dar", kommentierte Prof. Jay Fineberg, der entsprechende Autor der Forschung. "Indem wir die Existenz von Supershear-Zugrissen und ihre Fähigkeit, die klassischen Geschwindigkeitsgrenzen zu überschreiten, nachgewiesen haben, haben wir neue Wege für die Untersuchung der Bruchmechanik und ihrer Anwendungen eröffnet."

Die Auswirkungen dieser Forschung erstrecken sich über das Gebiet der Physik hinaus. Indem sie zeigen, dass Zugrisse ihre klassischen Geschwindigkeitsgrenzen überschreiten können, haben die Forscher den Weg für ein neues Verständnis der Bruchmechanik geebnet.