Wie entstehen Lawinen? Bauklötze helfen bei der Erklärung

Warum kommen Lawinen ins Rutschen und was passiert dabei im Inneren der Schneemenge? Oder ganz allgemein: Wann verlieren amorphe Festkörper ihre Stabilität? Forschende der Universität Konstanz haben ein neues Modell entwickelt, um dieses physikalische Phänomen zu erklären. Sie nutzen dabei eine Kiste voller Bauklötze als anschauliches Beispiel. Ihre Erkenntnisse könnten helfen, die Eigenschaften von Materialien wie Granulaten und Schäumen zu verbessern.

Das Phänomen des Rutschens in ungeordneten Festkörpern

Lawinen können abrupte, zerstörerische Bewegungen auslösen, wenn ein Hängesystem seine Stabilität verliert. Dieses Phänomen ist jedoch nicht auf Schneemassen beschränkt, sondern zeigt sich auch auf mikroskopischer Ebene in Materialien mit ungeordneter Struktur.

Forschende untersuchen diese Prozesse in Gläsern, Granulaten und Schäumen. In diesen Materialien können sich Partikel ebenso plötzlich in Bewegung setzen, wenn der innere Zusammenhalt nicht mehr ausreicht. Die Struktur wird dabei nicht durch Temperaturveränderungen, sondern durch mechanische Einwirkungen destabilisiert. Doch ab welchem Punkt geschieht das genau?

Konstanzer Forschungsteam entwickelt Erklärungsmodell

Ein Team um den Physiker Matthias Fuchs von der Universität Konstanz hat sich genau mit dieser Fragestellung befasst. Bereits vor zwei Jahren gelang ihnen ein Durchbruch bei der Erforschung von Vibrationen in Gläsern. Jetzt gehen sie noch einen Schritt weiter: Sie analysieren, wann amorphe Festkörper ihre Stabilität verlieren.

„Wir wollten wissen, wann ein ungeordnetes Kartenhaus zusammenfällt und ein Sandhaufen ins Rutschen gerät“, erklärt Fuchs. Mithilfe der sogenannten „Euclidean random matrix“ (ERM)-Modelle konnten sie Gesetzmäßigkeiten aufdecken, die diesen Stabilitätsverlust steuern. Die Erkenntnisse sind nicht nur theoretischer Natur, sondern könnten auch für die Materialwissenschaften von Bedeutung sein.

Bauklötze als Erklärungshilfe

Die Forschenden verdeutlichen ihr Modell mit einem einfachen Beispiel: eine Kiste voller Bauklötze. Sind die Klötze sauber gestapelt, bleibt das System stabil. Werden sie jedoch ungeordnet in die Kiste geworfen, verhaken sie sich zwar gegenseitig, sind aber weit weniger stabil.

Ein leichtes Rütteln genügt, und nach und nach lösen sich Stützpunkte, bis der gesamte Stapel in sich zusammenfällt. Genau dieser Mechanismus kann auf amorphe Festkörper übertragen werden: Auch dort verlieren Teilchen mit der Zeit ihren Halt, was den Stabilitätsverlust verursacht.

Ein tiefer Blick in die Struktur

Doch wie lässt sich der genaue Moment bestimmen, an dem das System instabil wird? Die Konstanzer Physiker haben hierzu detaillierte Simulationen und Laborexperimente durchgeführt. Sie erzeugen gezielt Vibrationen im Teilchensystem und eliminieren dabei Einflussfaktoren wie die Schwerkraft. Sie untersuchen, wie sich die Struktur verändert, wenn stabilisierende Bindungen allmählich verloren gehen.

„Unsere Analysen zeigen, dass die Stabilität des Systems an dem Punkt verloren geht, an dem Vibrationen mit niedriger Frequenz nahe Null auftreten. Die Schallgeschwindigkeit verschwindet dort“, beschreibt Florian Vogel, einer der beteiligten Wissenschaftler. Das Material wird verformbar: Die Teilchen kehren nach Krafteinwirkung nicht mehr elastisch an ihren Platz zurück, sondern bewegen sich in wachsender Clusterbildung.

Kein Einfluss durch Temperatur

Bemerkenswert ist, dass Temperaturveränderungen keinen Einfluss auf diesen Prozess haben. Während bei vielen Materialien die Stabilität durch Erwärmung nachlässt, spielt hier die Temperatur keine Rolle. Stattdessen hängt der Stabilitätsverlust allein von der inneren Verdünnung der stabilisierenden Bindungen ab. Dies ist insbesondere für granulare Systeme oder molekulare Festkörper von Bedeutung, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt existieren.

Die Experimente sind jedoch noch nicht abgeschlossen. Im Herbst 2025 sollen sie auf der Internationalen Raumstation (ISS) unter Schwerelosigkeit durchgeführt werden. Im Rahmen des Projekts „GraSCha“ (Granular Sound Characterization) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wollen die Forschenden die Mechanismen des Stabilitätsverlusts unter Bedingungen testen, die auf der Erde nur schwer erreichbar sind.

Die Forschung ist Teil des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1432 an der Universität Konstanz. Der Fokus liegt auf physikalischen Systemen jenseits ihres Gleichgewichtszustands. Neben granularen Materialien und Schäumen werden auch Quantenfluktuationen, ultraschnelle Elektronenprozesse und nichtlineare Nanomechaniksysteme untersucht. Die neuen Erkenntnisse könnten langfristig dabei helfen, stabilere Materialien zu entwickeln und deren Verhalten gezielt zu steuern.

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