22.08.2007 · Unbefestigten Straßen sind oft von Querrillen durchzogen. Verursacht werden diese durch den Autoverkehr. Bisher wusste aber niemand, wie sie entstehen. In Laborversuchen haben Wissenschaftler das jetzt geklärt.
Von Rainer Scharf
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Rätselhaft: Befahrener Sand bildet seltsame Formen
Unbefestigte Straßen weisen bisweilen quer laufende Schwellen auf, die dicht aufeinander folgen und der Straßenoberfläche das Aussehen eines Waschbretts geben. Für den Verkehr sind diese Strukturen außerordentlich hinderlich. Ähnliche Muster zeigen sich im Wüstensand oder am Meeresstrand, wo sie vom Wind beziehungsweise vom Wasser erzeugt werden.
Die Muster auf unbefestigten Straßen werden von den auf ihnen verkehrenden Fahrzeugen verursacht. Jetzt haben Physiker aus England, Frankreich und Kanada die Waschbrettmuster im Labor untersucht, um herauszufinden, nach welchen Regeln sie entstehen.
Rotierendes Sandbett
Für die Analyse legten Nicolas Taberlet von der University of Cambridge und seine Kollegen ein zunächst glattes Sandbett auf einem Drehteller an, der einen Durchmesser von einem Meter hatte und von einem Motor in Rotation versetzt wurde. Nahe dem Tellerrand lag dem Sand ein etwa zehn Zentimeter großes Hartgummirad auf.
Es wurde von einem Hebel festgehalten, so dass es über den Sand rollte, wenn der Teller rotierte. Dabei konnte das Rad relativ zur Sandoberfläche Geschwindigkeiten von neun Kilometern pro Stunde erreichen. Mit Sensoren ermittelte man millimetergenau die vertikalen Bewegungen des Rades und das Oberflächenprofil des Sandbettes.
Die Geschwindigkeit entscheidet
Wie die Forscher berichten, blieb die Sandoberfläche glatt, wenn sich das Rad mit Geschwindigkeiten von weniger als 5,4 Kilometern pro Stunde über sie hinweg bewegte („Physical Review Letters“, Bd. 99, Nr. 068003). Erst bei höherer Geschwindigkeit traten die ersten hügelförmigen Unebenheiten auf, die sich regelmäßig anordneten. Das stimmt mit früheren Beobachtungen an unbefestigten Straßen überein, wonach Waschbrettmuster nur auf solchen Straßen vorkamen, die mit einer Geschwindigkeit von mindestens vier Kilometern pro Stunde befahren wurden. Bei dem Tempo bewegten sich die Unebenheiten langsam, meist in Fahrtrichtung. Auf dem Drehteller liefen die Unebenheiten stets in dieselbe Richtung wie das Rad.
Wie die Experimente mit unterschiedlichen Sandsorten und Rädern zeigten, hing die Form des im Sandbett entstehenden Waschbrettmusters weder von der Körnung des Sandes noch vom Durchmesser des darüber rollenden Rades ab. Das Gewicht des Rades hatte jedoch einen Einfluss. Das Waschbrettmuster war desto ausgeprägter und die Unebenheiten folgten desto dichter aufeinander, je schwerer das Rad war. Dabei hatten die Unebenheiten eine asymmetrische Gestalt mit zwei unterschiedlich geneigten Flanken: Das Rad rollte die sanft ansteigende Flanke hinauf und sprang anschließend die steil abfallende Flanke hinab.
Deformierte Sandoberfläche
Zur Musterbildung kommt es, wenn das über den Sand rollende Rad bei einer zufälligen vertikalen Auslenkung zu hüpfen beginnt und dabei die Sandoberfläche deformiert. Dann treten Oszillationen auf, bei denen sich die vertikalen Bewegungen des Rades und die Modulationen der Sandoberfläche gegenseitig hochschaukeln.
Aus dem Gewicht, der Breite und der Geschwindigkeit des Rades sowie der Dichte des Sandes können die Forscher in Extremfällen berechnen, ob ein Waschbrettmuster entstehen kann oder nicht. Eine mathematisch exakte Theorie dieses alltäglichen Phänomens gibt es aber noch nicht.
