Material mit „Dimple-Effekt“ 26.06.2014, 06:55 Uhr

Gedellt und glatt: Ball wechselt „kluge“ Oberfläche

Dass die Dellen im Golfball dessen Flugeigenschaften verbessern, ist bekannt. Nun haben amerikanische Forscher einen kleinen smarten Ball entwickelt, der in Echtzeit zwischen gedellter und glatter Oberfläche wechseln kann.  

Vermutlich hat der Zufall die aerodynamische Bedeutung der Dellen im Golfball, der sogenannten Dimples, einst ans Licht gebracht. Vor rund 150 Jahren hatten neue Golfbälle noch eine glatte Oberfläche, die im Spiel durch die Wucht des Schlages mehr und mehr Dellen abbekam. Dass die Dellen im Ball dessen Luftwiderstand verringern und ihn bis zu viermal weiter fliegen lassen als mit glatter Oberfläche, war also eine Erkenntnis aus der Praxis und nicht aus der Wissenschaft.

Durch Dellen im Golfball entstehen Turbulenzen

Heute haben alle Golfbälle 300 bis 450 regelmäßig angeordnete Dimples und diese sind in erster Linie dafür verantwortlich, natürlich neben der Abschlagtechnik des Spielers, dass der Ball mehrere hundert Meter weit fliegen kann. Wie jedes massive Objekt, das sich durch die Luft bewegt, wird auch der Golfball im Flug von der sogenannten Grenzschicht, einer dünnen Lufthülle, umgeben. Bei hohen Geschwindigkeiten löst sich die langsamere Grenzschicht vom Objekt und es entsteht eine Strömung, die das Objekt abbremst. Durch die runden Dellen auf der Oberfläche des Golfballs entstehen kleinere Turbulenzen, die der Grenzschicht mehr Energie geben. Sie bewegt sich schneller und kann dem Objekt länger folgen. Der Luftwiderstand reduziert sich um fast die Hälfte.

Wie sich diese Eigenschaften des Golfballs auf andere dreidimensionale Objekte und Materialien übertragen lassen, hat drei Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge interessiert. Ihre Ergebnisse veröffentlichten Pedro Reis, Denis Terwagne und Miha Brojan nun im Journal „Advanced Materials“. „Es gibt bereits zahlreiche Studien über Unebenheiten und Falten auf glatten Oberflächen“, erklärt Reis. „Aber es ist bisher wenig darüber bekannt, wie sich Falten auf gekurvten Oberflächen verhalten.“

Der „Dimple-Effekt“ kann an- oder abgeschaltet werden

Reis und seine Kollegen bauten für ihre Versuche einen kleinen, innen hohlen Ball, dessen Oberfläche aus zwei Polymer-Materiallagen besteht. Dabei ist das innere Polymer weicher als die äußere Schicht. Wird nun die Luft aus dem Ball gesaugt, zieht sich die äußere Polymer-Lage zusammen. Das Ergebnis sieht aus wie ein Golfball mit Dimples. „Wir haben den geschrumpften Ball systematisch im Windtunnel getestet und eine ähnliche Verringerung im Luftwiderstand wie bei einem echten Golfball gemessen“, sagt Pedro Reis.

Das Spannende an ihrer Materialforschung sei aber eigentlich, so die Forscher, dass sie den Innendruck des Balls und damit auch seine Oberfläche kontrollieren könnten. „Die Umkehrbarkeit des Prozesses macht ihn spannend“, sagt Reis. „Wir können den Effekt, den die Oberfläche auf den Luftwiderstand hat, an- oder abstellen.“ „Smart morphable surfaces“, also kluge wandelbare Oberflächen, oder kurz „smorphs“ haben die Wissenschaftler ihre Entdeckung getauft.

Smorphs könnten bei Kuppeln oder Autos zum Einsatz kommen

Mögliche Anwendungen für ihre „smorphs“ haben die Forscher auch bereits entdeckt. Viele Radarantennen seien beispielsweise unter großen Kuppeln untergebracht, die oft starken Stürmen ausgesetzt sind. Wenn der Wind zu stark wird, könnte eine solche Kuppel ihre Oberfläche verändern und so den Luftwiderstand verringern. Eine weitere Verwendung könnte Materialien für den Autobau betreffen. Je nach Fahrgeschwindigkeit würde die äußere Hülle des Autos seine Form verändern. Die Dellen würden zu einem geringeren Luftwiderstand führen, der sich auch positiv auf den Spritverbrauch auswirkt.

 

Von Gudrun von Schoenebeck
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