Räderwerk braucht wenig Energie 27.02.2013, 18:42 Uhr

Wie sich der Energieverbrauch von Getrieben senken lässt

Schweizer Forscher haben simuliert, wie sich Reibung minimieren lässt. Die Ergebnisse können genutzt werden, um den Energieverbrauch etwa von Getrieben und anderen mechanischen Systemen, in denen es ineinandergreifende Räder gibt, zu reduzieren.

Zahnräder, die ineinandergreifen

Ineinandergreifende Räder: Schweizer Forscher wissen, wie sich der Energieverbrauch bei solchen mechanischen Systemen reduzieren lässt.

Foto: panthermedia.net/Rilo

Am liebsten zerteilt er Steine und wirft mit Sand, juxt Hans J. Hermann, Professor am Institut für Baustoffe der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, auf seiner Homepage. Und beruhigt gleich seine Leser. Das mache er nur am Computer oder auf einem Blatt Papier. Beim Werfen und Spalten ist jetzt etwas ganz besonderes herausgekommen: Ein Rezept für die Minimierung der Energie, die man in ein System von Rädern stecken muss, die durch Reibung oder Zähne (Zahnräder) so miteinander verbunden sind, dass alle sich drehen, wenn eins angetrieben wird. Hermann arbeitete dazu mit einer Reihe von Kollegen zusammen. Gemeinsam veröffentlichten sie das Ergebnis jetzt in dem renommierten Fachblatt „Physical Review Letters“.

Einfache Formel: Masse einer Scheibe muss proportional zu ihrem Radius sein

Das Team hat das Verhalten von hunderten Scheiben untersucht, die einander berühren. Damit Kräfte von einer auf die andere Scheibe übertragen werden müssen sie sich berühren. Dabei entsteht Reibung, die einerseits Kräfte überträgt, andererseits aber dafür sorgt, dass ein solches System irgendwann zum Stillstand kommt, nachdem es einmal einen Schubs bekommen hat. Hermann und sein Team wollten die Energie, die für den fortlaufenden Betrieb eines solchen Systems nötig ist, minimieren. Unzählige Simulationen am Computer haben zu einer ganz einfachen Formel geführt. Die Masse einer Scheibe muss proportional zu ihrem Radius sein.

Die Schweizer Wissenschaftler haben ihre Berechnungen für Systeme mit bis zu 2000 Scheiben ausgeführt. Illustriert haben sie ihre Arbeit mit einer optischen Täuschung, angelehnt an die „Rotating Snakes“ des Japaners Akiyoshi  Kitaoka. Dabei handelt es sich um spiralförmige Scheiben, die so strukturiert sind, dass sie sich zu drehen scheinen.

Die Erkenntnisse können genutzt werden, um den Energieverbrauch etwa von Getrieben und anderen mechanischen Systeme, in denen es ineinandergreifende Räder gibt, zu minimieren. Zudem werde die Funktionsfähigkeit eines solchen Bewegungssystems bei zunehmendem Verschleiß verlängert und es stabilisiere sich nach Störungen schneller, sagt Hermann.

Uhrenhersteller ahnten es schon

Hersteller von Uhren scheinen den wissenschaftlich ermittelten Zusammenhang zwischen Masse und Radius schon geahnt zu haben. Die teilweise winzigen Zahnrädchen in mechanischen Präzisionsuhren sind nicht massiv, sondern durchbrochen. Manchmal bestehen sie nur aus Zahnkranz und Lager. Als Verbindungselemente fungieren filigrane Speichen.

 

Von Wolfgang Kempkens

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