Descriptive Mechanics Stabileres Re-Design durch Versagen von Bauteilen

Prof. Dr. Claus Mattheck erklärt in seinem neuen Werk "Pauli explains the form in nature", wie kürzere Hebelarme und breitere Querschnitte in Bauteilen durch Versagen entstehen und dabei Designvorschläge für ein Re-Design geben können.

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KIT Karlsruher Institut für Technologie Campus Nord

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Als kleiner Junge sah ich zu, wie ein älterer Mann mit einem langen, abgebrochenen Messer vernagelte Kisten aufhebelte. Als ich ihn mürrisch ansprach, dass er ja das Messer abgebrochen habe, versicherte er lächelnd, dass es jetzt nicht mehr abbräche. Recht hatte er, die Klingenlänge hatte sich durch die Hebelarmanpassung an die Betriebsbelastung angepasst.

In der Natur erreignen sich solche Optimierungen durch Versagen regelmäßig – Ast- und Stammbrüche bei Bäumen oder gar Windwürfe sind nur ein Beispiel dafür. So kann der Astrest am Stamm auch höheren Schneelasten widerstehen.

Bei Windwurf reduziert sich der Windhebel und die Wurzelstützfläche vergrößert sich. Wird ein Auto von einem umstürzenden Baum erfasst, ist es zwar funktionsuntauglich, objektiv betrachtet in seiner jetzigen Form perfekt geeignet, ohne zusätzliche Gestaltsänderung, hohe Drucklasten zu ertragen. Es hat sich somit an die Druckbelastung angepasst, indem es seinen Querschnitt verbreitert und seine Knicklängen reduziert hat.

Ein weiteres Beispiel ist das plastische Versagen eines Kupferzylinders. Dieser baut unter Drucklast seine Druckspannung durch plastische Querschnittsverbreitung solange ab, bis die aufgebrachte Belastung die Fließspannung nicht mehr erreichen lässt. Er hat durch diese plastische Extremverformung eine Optimierung durch Druckversagen erreicht.

Descriptive Mechanics

Plastische Fließzonen – Tarnkappe der Querulanten

Versagen ist nur eine Umwandlung

Diese Optimierung durch Druckversagen kann auch Kerben entschärfen bzw. verschwinden lassen. Während der Deformation wird die Form der zugbelasteten Kerben harmloser. Bei durch Erosion ausgehölten Felsmassiven halten die querverfestigten Druckbögen weiteren Erosionen stand. Das durch die Erosion entstandene Gewölbe verfestigt sich durch Querkräfte. Der Felsen überlebt, weil unter ihm eine Höhlung ausbrach. Hier führt das Versagen zu Selbstverfestigung und damit zu fast ewigem Leben.

In den nächsten Jahren wollen wir uns diesen noch unbekannten Grenzen zuwenden. Es könnte sein, dass wir dabei herausfinden, dass es ein Versagen gar nicht gibt, weil Versagen nur eine Umwandlung ist. Das was wir gemeinhin als Versagen bezeichnen, ist im Grunde nur Funktionsverlust. Bauteile können uns durch Versagen Designvorschläge für ein stabileres Re-Design geben. (jup)

Buchtipp

Pauli explains the form in nature

* *KIT Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte Materialien

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