Beugung der Kraft nachgewiesen

Die newtonschen Gesetze

Beugung einer Ameisenstrasse - Rot: mit Kraftvektor 10MN - Schwarz: ohne Kraftvektor

Beschichtung eines optischen Sensors mit beugungssensitivem Honig

Fotos eines 100N-Massestapels - Links: mit Standardsensor - Rechts: mit beugungssensitivem Sensor

Eine sensationelle Entdeckung der GTM-Forschungsabteilung wird es wohl notwendig machen, dass die Physikbücher umzuschreiben sind: an Hand eines einfachen Versuchs konnte die Beugung von Kraftvektoren mittels Ameisen nachgewiesen werden.

Kraftvektoren werden seit alters her als linienflüchtige Vektoren mit nur einem Freiheitsgrad betrachtet. Gemäß dem zweiten newtonschen Gesetz „lex secunda“ war bisher davon auszugehen, dass die Kraft nur auf Geraden flüchten kann: „Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur.“ Genau diese These wurde jetzt in den Kalibrierlaboratorien der GTM in Bickenbach widerlegt.

Das neu entdeckte Phänomen besagt, dass sich Kraftvektoren gegenseitig auch über große Entfernungen hinweg beeinflussen, sogar wenn sie verschiedene Richtungen aufweisen. Dabei werden kleinere Kraftvektoren im Umfeld eines größeren Kraftvektors gebeugt.

Die spektakuläre Erkenntnis legt Vergleiche zur Optik nahe, wo die Beugung des Lichts an Spalten und Gittern seit langem bekannt ist. Die Beugung ist dabei an den Wellencharakter des Lichts gebunden. Dipl.-Ing. Rabe, Mitglied des Forschungsteams und verantwortlich für die mathematische Beschreibung des Effekts, stellt hierzu klar: „Die Kraft hat aber keinen Wellencharakter wie das Licht. Die Kraft hat nicht einmal einen Teilchencharakter. Genau genommen hat sie überhaupt keinen Charakter!“

Diese wissenschaftliche Charakterlosigkeit ist die Begründung, weshalb der Effekt bisher unentdeckt blieb. Andererseits liegt aber genau darin der Schlüssel zur Lösung des mathematischen Problems. Wenn ein Lichtstrahl an einem Spalt gebeugt wird, läuft er danach auf einer Geraden weiter. Der Kraftvektor hingegen folgt einer Kurvenfunktion, die in etwa dem Abschnitt einer Ellipse entspricht. Diese elementare Beobachtung lässt sich weder mit der „speziellen“ noch mit der „allgemeinen Relativitätstheorie“ von Albert Einstein erklären, weshalb das GTM Forschungsteam nun an der Weiterentwicklung dieser Theorien arbeitet. Das Projekt trägt den Namen GABI (Ganz Allgemeine Relativitätstheorie Bickenbach). Rabe: „Die Krümmung von Raum und Zeit muss noch um die Beugung der Kraftvektoren ergänzt werden!“

Entdeckt wurde die Beugung der Kraftvektoren durch einen Zufall: dem Labormitarbeiter Stipo Farrenkopfic fiel die Krümmung einer Ameisenstrasse auf, sobald die laboreigene 10 MN-Kraftmesseinrichtung in Betrieb war. Ameisen, so lautet die Vermutung, verfügen auf Grund ihrer geringen Masse über eine außerordentliche Sensitivität gegenüber benachbarten Kräften, wodurch ihre Bewegungs-Longitudinalkraft gekrümmt wird. Farrenkopfics Beobachtungen: „Das hat nichts mit Massenanziehung zu tun; die Ameisen laufen nur krumm, wenn wir 10 MN Kalibrierkraft erzeugen. Die 45t Eigenmasse der Maschine spielen keine Rolle.“

Weltweit haben die bedeutendsten „Institutes of Biomechanics“ angekündigt, auf der Basis von dressierten Ameisen kalibrierfähige und rückführbare Biosensoren entwickeln zu wollen. Eigens zu diesem Thema wird auf der kommenden „BIOMAT – European Symposium and Exhibition on Biomaterials and Related Areas“ am Donnerstag, den 24. April 2013 in Weimar ab 9:00 Uhr eine zusätzliche Plenarvorlesung eingerichtet.

Aus dem Kraftlabor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig ist zu vernehmen, dass die Rückführung dieser Biosensoren ein Problem darstellen könnte. Die Wissenschaftler sind auf die speziellen Anforderungen im Umgang mit den Ameisen nicht vorbereitet. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde bereits ein Kooperationsvertrag mit dem Braunschweiger Zoo „Arche Noah“ und dem staatlichen naturhistorischen Museum in der Pockelsstraße geschlossen. Die Fachwissenschaftler des naturhistorischen Museums werden im Rahmen der Kooperation für die Auswahl der optimalen Ameisensorte verantwortlich sein, wohingegen die Zoomitarbeiter die notwendige Erfahrung im Umgang mit lebenden Biosensoren mitbringen.

GTM schlägt zum Messen der Kraftvektorbeugung einen anderen Weg ein. Projektleiter Dipl.-Ing. Kristof Seibel: „Die Sensitivität der Ameisen sollte sich auch auf andere Insekten übertragen lassen. Wir haben deshalb Versuche mit Honigbienen durchgeführt und festgestellt, dass die Bienen die Kraftvektorbeugungssensitivität über den Honig an ihre Nachfahren übertragen.“ Mit dieser Erkenntnis wurde eine Kamera entwickelt, deren optischer Sensor mit einer wenige Mikrometer dicken Schicht Waldhonig überzogen ist. Der beugungssensitive Honig bewirkt, dass die eigentlich unsichtbare Kraftvektorbeugung auf Fotografien überhöht und in Falschfarben dargestellt wird.

Die entwickelte Kamera stellt einen Meilenstein in der Kraftmesstechnik dar und soll Mitte 2013 als serienreifes Produkt interessierten Kunden angeboten werden. Erste veröffentlichte Aufnahmen mit der Prototypenkamera zeigen die Beugung des Kraftvektors der 100 N-Kraftmesseinrichtung, die in unmittelbarer Nähe zur 10 MN-Kraftmesseinrichtung steht.

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