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Das Muster des Monats, 06/2010

Muster- und Strukturenratebild, Juni 2010

Glas

(Zur Auflösung und Erklärung bitte weiterlesen.)

Kinder sind ja bekanntlich sehr gut darin, komplizierte Muster zu erschaffen. So auch in diesem Fall: Ein einzelner, geschickt auf mein Wohnzimmerfenster geworfener Stein genügte, um im Glas dieses filigrane Rissmuster mit etwa zentimetergroßen Polygonen zu erzeugen. Hier ist ein Bild der gesamten Scheibe von außen (die Einschlagsstelle links oben ist durch den roten Pfeil markiert):

Risse im Fenster, (c) Stephan Matthiesen

Und so sieht es von innen aus – hier ist die Einschlagsstelle dank der Reflexion des Sonnenlichts recht deutlich an der rechten oberen Ecke erkennbar:

Risse im Fenster, (c) Stephan Matthiesen

Ein Nachbar, der diesen "kreativen" Vorgang beobachtete, beschrieb eine Gruppe von etwa 13-jährigen Jungen, die von der gegenüberliegenden Straßenseite Kieselsteine warfen. Überraschenderweise gab es keinen lauten Knall, sondern eher ein leises, schwer beschreibbares Geräusch, sodass mein Nachbar zunächst überhaupt nicht merkte, dass ein Schaden entstanden war.

Hätten Sie dieses Muster erwartet? Sicher haben Sie schon einmal ein Trinkglas oder eine Tasse fallen lassen – ist das Gefäß dann, wie diese Scheibe, sofort in winzige, gleichförmige Stücke zersprungen? Gewöhnlich nicht. Vielmehr gehen normalerweise von der Schlagstelle sternförmig mehr oder weniger geradlinige Risse aus, sodass Sie mehrere recht große, scharfkantige Scherben erhalten. So ist das auch bei gewöhnlichem Fensterglas: Bei einem früheren Steinwurf hatte ich noch nicht diese Isolierfenster, sondern uralte Einfachscheiben, und als sie zu Bruch gingen, entstanden messerscharfe, bis zu einem halben Meter lange Scherben. Ganz klar, dass solche Scherben eine erhebliche Verletzungsgefahr darstellen.

Aus diesem Grund werden heutzutage in größeren Gebäudefenstern oder in Fahrzeugen Sicherheitsglasscheiben eingesetzt, die so zerbrechen, wie es mein Fenster auf den Bildern getan hat – die zentimetergroßen Bruchstücke können kaum zu ernsthaften Verletzungen führen. Technisch wird dies dadurch erreicht, dass die Glasscheibe bei der Herstellung erhitzt und dann oberflächlich mit kalter Luft abgeschreckt wird. Dabei entsteht eine dünne Oberflächenschicht, und da sich der Rest des Glases beim Abkühlen stärker zusammenzieht, entsteht im Glas eine Vorspannung. Wird die Scheibe an einer Stelle gebrochen, führen die Vorspannungen dazu, dass die gesamte Scheibe in kleine Stücke zerfällt, etwa ähnlich, wie ein Lehmboden beim Austrocknen (=Zusammenziehen) durch Trocknungsrisse zu kleinen Schollen zerfällt:

Lehmrisse (c) Andrea Kamphuis

An meiner Scheibe konnte man diese Oberflächenschicht übrigens erkennen (aber leider gelang es uns nicht, sie gut zu fotografieren). Die Risse auf dem ersten Bild erreichten nämlich nicht ganz die Oberfläche, vielmehr bildete die Außenseite der Scheibe eine hauchdünne Glasschicht, die nur wenige lange, strahlenförmig von der Einschlagsstelle ausgehende Brüche aufwies. Diese dünne Oberflächenschicht hielt das zerbrochende Glas zusammen – als der Glaser die Scheibe ersetzte, brauchte er nur an einigen Stellen leicht zu klopfen, damit die alte Scheibe ganz aus dem Rahmen herausbröselte.

Für die Ausbildung des Rissmusters spielt die dünne Oberflächenschicht eine ganz wichtige Rolle, da sie die Kontraktion der Scheibe verhindert. Beim Lehmboden ist das Prinzip leicht verständlich: Die einzelnen Schollen sitzen auf dem Untergrund fest, wenn also die Lehmschicht durch Austrocknen kontrahiert, muss sie dabei in kleine Stücke zerbrechen, da sie sich nicht als Ganzes zusammenziehen kann – die Lehmschicht kann nicht wie eine großen einheitliche Platte über den Untergrund gleiten, vielmehr sitzt jeder Teil fest. Ebenso ist das bei der Glasscheibe. Bei gewöhnlichem Glas zieht sich die Scheibe beim Erkalten bei der Herstellung als Ganzes zusammen. Beim Sicherheitsglas wird das Glas durch die Oberflächenschicht daran gehindert, sich zusammenzuziehen (wobei eine Spannung im Material entsteht), und wenn das Glas an einer Stelle bricht, erhöht sich die Spannung anderswo, kann aber nicht dadurch verringert werden, dass die ganze Scheibe kontrahiert, vielmehr kommt es kaskadenartig zu weiteren Brüchen, die die gesamte Scheibe zerstören.

Was ein einzelner Steinwurf so alles aufdecken kann – leider sind die Jugendlichen unerkannt entkommen, sodass ich ihnen nicht für dieses spannende Experiment danken kann ...

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