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Das Zerlegen weicher Materialen birgt noch einige Geheimnisse, und die moderne Wissenschaft weiss bisher nur wenig über die Details beim Schneiden von Würsten, Gelatine oder synthetisch hergestellten Elastomeren, die Gummi ähneln. Genau das ändert mit triftigen Gründen Miguel Ángel Moreno-Mateos vom Lehrstuhl für Technische Mechanik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gerade: Lebensmittel-Hersteller und Chirurg/-innen würden gerne mehr wissen, um ihre Technik zum Wohle von Verbraucher/-innen und Patient/-innen zu verbessern. Die Ergebnisse sind nun im Fachmagazin Nature Computational Materials erschienen.
Schliesslich überlegen nicht nur Hobby-Konditor/-inneen, ob sie ihre selbstgemachte Creme- oder Sahnetorte mit dem Brot- oder vielleicht doch besser mit dem Bratenmesser schneiden sollten. Da beide Möglichkeiten eher schlecht als recht funktionieren, bleibt das eigens dafür angebotene Tortenmesser wahrscheinlich die beste Wahl, lehrt die Erfahrung.
Weshalb das so ist, untersucht Miguel Ángel Moreno-Mateos. Allerdings nicht an einer Torte, sondern an Gelatine, die reichlich Wasser enthält. Dadurch wird dieses aus Häuten und Knochen von Tieren hergestellte Material einerseits sehr weich, ist andererseits aber auch sehr widerstandsfähig. Ein weiteres Untersuchungsobjekt sind synthetisch hergestellte Elastomere, die sich wie Gummi leicht verformen lassen. Und Nürnberger Stadtwürste, die vereinfacht gesagt aus winzigen Fleisch-Stückchen und Fett bestehen.
„Alle drei Materialien sind weich, verhalten sich beim Schneiden aber jeweils anders“, erklärt der FAU-Ingenieur. Das gleiche gilt auch für verschiedene Substanzen in der Natur. Deshalb haben Ameisen, die Blätter zerschneiden, völlig andere Kauwerkzeuge als das Gebiss eines Menschen, das Kartoffeln oder Erdbeeren zerlegt. Was beim Schneiden von weichen Materialien passiert, haben Miguel Ángel Moreno-Mateos und Lehrstuhl-Inhaber Paul Steinmann zunächst in Versuchen beobachtet und dann mit Computermodellen nachgestellt.
Drückt die Klinge auf die Gelatine, verformt sie erst einmal die Struktur sehr stark, bevor sie schliesslich das Material abrupt durchschneidet, weil die inneren Widerstandskräfte plötzlich zusammenbrechen. Ganz anders verhält sich ein Messer, das auf ein Elastomer drückt und es sehr gleichmässig immer weiter schneidet. Bei der Nürnberger Stadtwurst wiederum schmiert das weiche Fett den Kontakt zwischen der Klinge und den Fleischstückchen und erlaubt so ein gleichmässiges Schneiden ohne schnelle Brüche und Veränderungen. Genau aus diesem Grund fühlen sich wohl auch Bratwürste beim Kauen viel weicher als Fleisch an: Die Zähne oder die Klinge öffnen nicht etwa eine relativ widerstandsfähige Oberfläche, sondern gleiten eher wie durch eine zähflüssige Substanz, die wenig Widerstand leistet.
Was dabei im Detail vor sich geht, zeigen dann die Computermodelle: Wie beeinflussen Reibungskräfte das Schneiden solcher weichen Materialien? Wie lange verformt die Klinge das Material und wann genau beginnt sie es aufzuschneiden? So ausgefeilt diese Techniken sind, lassen sie sich mit den Experimenten an weichen Materialien und den Computersimulationen doch weiter verbessern. (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg)
(gb)
FORSCHUNG: Geheimnisse des Schneidens weicher Materialien
Das Zerlegen weicher Materialen birgt noch einige Geheimnisse, und die moderne Wissenschaft weiss bisher nur wenig über die Details beim Schneiden von Würsten, Gelatine oder synthetisch hergestellten Elastomeren, die Gummi ähneln. Genau das ändert mit triftigen Gründen Miguel Ángel Moreno-Mateos vom Lehrstuhl für Technische Mechanik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gerade: Lebensmittel-Hersteller und Chirurg/-innen würden gerne mehr wissen, um ihre Technik zum Wohle von Verbraucher/-innen und Patient/-innen zu verbessern. Die Ergebnisse sind nun im Fachmagazin Nature Computational Materials erschienen.
Schliesslich überlegen nicht nur Hobby-Konditor/-inneen, ob sie ihre selbstgemachte Creme- oder Sahnetorte mit dem Brot- oder vielleicht doch besser mit dem Bratenmesser schneiden sollten. Da beide Möglichkeiten eher schlecht als recht funktionieren, bleibt das eigens dafür angebotene Tortenmesser wahrscheinlich die beste Wahl, lehrt die Erfahrung.
Weshalb das so ist, untersucht Miguel Ángel Moreno-Mateos. Allerdings nicht an einer Torte, sondern an Gelatine, die reichlich Wasser enthält. Dadurch wird dieses aus Häuten und Knochen von Tieren hergestellte Material einerseits sehr weich, ist andererseits aber auch sehr widerstandsfähig. Ein weiteres Untersuchungsobjekt sind synthetisch hergestellte Elastomere, die sich wie Gummi leicht verformen lassen. Und Nürnberger Stadtwürste, die vereinfacht gesagt aus winzigen Fleisch-Stückchen und Fett bestehen.
„Alle drei Materialien sind weich, verhalten sich beim Schneiden aber jeweils anders“, erklärt der FAU-Ingenieur. Das gleiche gilt auch für verschiedene Substanzen in der Natur. Deshalb haben Ameisen, die Blätter zerschneiden, völlig andere Kauwerkzeuge als das Gebiss eines Menschen, das Kartoffeln oder Erdbeeren zerlegt. Was beim Schneiden von weichen Materialien passiert, haben Miguel Ángel Moreno-Mateos und Lehrstuhl-Inhaber Paul Steinmann zunächst in Versuchen beobachtet und dann mit Computermodellen nachgestellt.
Drückt die Klinge auf die Gelatine, verformt sie erst einmal die Struktur sehr stark, bevor sie schliesslich das Material abrupt durchschneidet, weil die inneren Widerstandskräfte plötzlich zusammenbrechen. Ganz anders verhält sich ein Messer, das auf ein Elastomer drückt und es sehr gleichmässig immer weiter schneidet. Bei der Nürnberger Stadtwurst wiederum schmiert das weiche Fett den Kontakt zwischen der Klinge und den Fleischstückchen und erlaubt so ein gleichmässiges Schneiden ohne schnelle Brüche und Veränderungen. Genau aus diesem Grund fühlen sich wohl auch Bratwürste beim Kauen viel weicher als Fleisch an: Die Zähne oder die Klinge öffnen nicht etwa eine relativ widerstandsfähige Oberfläche, sondern gleiten eher wie durch eine zähflüssige Substanz, die wenig Widerstand leistet.
Was dabei im Detail vor sich geht, zeigen dann die Computermodelle: Wie beeinflussen Reibungskräfte das Schneiden solcher weichen Materialien? Wie lange verformt die Klinge das Material und wann genau beginnt sie es aufzuschneiden? So ausgefeilt diese Techniken sind, lassen sie sich mit den Experimenten an weichen Materialien und den Computersimulationen doch weiter verbessern. (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg)
(gb)
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