Warum der Wechselschub Zickzack-Risse verursacht

Volksmechanik Warum der Wechselschub Zickzack-Risse verursacht

19.01.2023 Von C. Mattheck, K. Bethge

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BMF Boston Micro Fabrication

Mit den Denkwerkzeugen der Natur haben Prof. Dr. Claus Mattheck und seine Kollegen vom KIT eine Sammlung von Denkwerkzeugen erstellt, mit denen man formelfrei zum belastbaren Bauteil kommt. Hier zeigen sie, warum Zickzack-Risse Kinder des Wechselschubes sind.

Hier zeigen die Formoptimierungsexperten vom KIT, wie der Zickzack-Riss und der Wechselschub zusammenhängen.
(Bild: Mattheck)

Das Schubviereck ist gleichwertig sich kreuzendem Zug und Druck. Somit entsteht bei Schubbelastung ein schräger Zug. Senkrecht zu dieser Zugrichtung können in isotropen Materialien Risse entstehen. Hier soll ein Rissmuster gezeigt werden, das auf alternierende Schubbelastung hinweist, der Zickzack-Riss!

Dies alles wird in ausführlichen Bildlegenden erklärt:

Bildergalerie

Abb. 1: Belastet man eine Oberfläche (A) durch eine Tangentialkraft, so kann man mit dem Schubviereck die Orientierung des schräg einlaufenden Risses senkrecht zum Zug (gelber Pfeil) erklären. Bei Schub innerhalb der Aluminiumfolie (B) zeigen die Falten die Zugrichtung an. Der Riss verläuft senkrecht zu diesen Zugfalten. Der Schub wurde mittels zweier gegenläufig bewegter Metallplatten eingeleitet, deren mit Sandpapier beklebte Unterseite auf die Alufolie gedrückt wurde.

Abb. 2: Bei alternierender Schubrichtung, stehen die zur jeweiligen Schubrichtung gehörigen Risse senkrecht aufeinander und bei Totalversagen sieht die Bruchfläche aus wie ein Haifischgebiss. Die beiden Detailbilder einer Wellenschulter, die durch Wechseltorsion versagte, erklären dies. Gestaltet man den Übergang der Wellenschulter nach der Kontur der Zugdreiecke [1], kann man auch dieses Versagen verzögern.

Abb. 3: Wir wissen es nicht genau, welche Lasteinleitung dieses Fragment eines Zickzack-Risses auf einem Trampelpfad im Wald entstehen ließ, die Notbremsung eines wackeren Bikers oder seine Beschleunigung? Oder einfach nur unterschiedlicher Bodenschwund bei Trocknung? Einerlei. Ein wechselnder Schub ist jedenfalls eine wahrscheinliche Rissursache!

Fazit: Zickzack-Risse, die mit der eingeleiteten Belastungsrichtung einen 45-Grad-Winkel bilden, sind oft die Folge einer alternierenden Schubbelastung, sind Kinder des Wechselschubes.

Tipp: Wer mehr über unsere Volksmechanik und ihre Denkwerkzeuge zur Bauteiloptimierung nach der Natur wissen möchte, dem seien unsere Seminare auf www.mattheck.de und www.iml.de empfohlen.

Literatur:

[1] C. Mattheck (2017): Die Körpersprache der Bauteile, Karlsruher Institut für Technologie

Mehr über die mathematikfreien Denkwerkzeuge der Natur:

Warum sich vorteilhafte Formen in der Natur kaum noch verändern und weitere Gestaltänderungen eher nachteilig sind, zeigen Formoptimierungsexperten vom KIT hier. (Bild: Mattheck)

Die Weisheit der Astanbindung – wie selbstverriegelnde Faserverläufe um Einschlüsse sich selbst verriegeln und was das für die Produktentwicklung bedeutet. (C. Mattheck)

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Stahltropfen: Was ein fallender Tropfen mit einer Punktlast in der elastischen Ebene zu tun hat zeigen I. Tesari, C. Mattheck, K. Bethge vom KIT in diesem Artikel. (KIT)

Die verhasste Biegespannung - Optimierung durch exzessive Verformung (KIT)

Wer von den Konstruktionen der Natur lernt, lernt von den Besten – hier stellt Prof. Dr. Mattheck Lehrmaterialien vor, die aus der Volksmechanik geboren wurden. (C. Mattheck)

Neues aus der Natur: Am Beispiel der Baumwurzel zeigen Prof. Dr. Claus Mattheck und Klaus Bethge vom KIT, wie man Zugkräfte in einen zugempfindlichen Werkstoff einleiten kann. (KIT)

Abb. 2: Windhebelreduktion und Vergrößerung der Wurzelstützfläche durch Windwurf und Anpassung eines Automobiles an Druckbelastung durch Querschnittsverbreiterung und Reduzierung der Knicklängen. (C. Mattheck)

Bachkiesel sind die Klügsten nicht, lässt man ihnen aber Zeit, nehmen sie vorteilhafte Formen an, die die Strömung weniger aufhalten. (Bild: © joningall1 - Fotolia)

Am Beispiel der Pauli-Schleuder wird die Kreisdeformationsmethode vorgestellt, die bei der dynamischen Optimierung von elastischen oder gar relaxierenden Bändern gute Dienste leistet. (Bild: KIT)

Was für die Strömung von Flüssigkeiten gut ist, ist auch für die Umlenkung des Kraftflusses um eine Kerbe in einem festen Körper vorteilhaft. (Mattheck/KIT)

Neue Erkenntnisse aus der Volksmechanik: Fittet man die Kontur der Zugdreiecke durch ein Kreisbogensegment, so gleichen die berechneten Spannungsverläufe in deckungsgleichen Bereichen denen einer maximal möglichen Vierteilkreiskerbe. (KIT)

* Prof. Dr. Claus Mattheck, Distinguished Senior Fellow, und Dr. Klaus Bethge, wissenschaftlicher Mitarbeiter, KIT Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte Materialien, 76021 Karlsruhe

(ID:49014837)

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