Die Physik quietschender Turnschuhe

Warum quietschen Turnschuhe auf dem Hallenboden? Ausgehend von dieser Frage haben Forschende umfangreiche Experimente durchgeführt und am Ende nicht nur die Titelmelodie von Star Wars mit quietschenden Gummiblöcken nachgespielt, sondern auch neue Erkenntnisse für Materialwissenschaft und Erdbebenforschung gesammelt. Demnach hängt das Quietschgeräusch der Schuhe unter anderem von der Dicke und Struktur ihrer Sohle ab – und lässt sich durch Variation dieser Faktoren gezielt beeinflussen.

Bei einem Basketballspiel gehören quietschende Schuhe ebenso zur Geräuschkulisse wie das Aufprallen des Balls. Aber wie entsteht dieser mitunter nervenaufreibende, hochfrequente Laut eigentlich? Bisherige Erklärungen gingen davon aus, dass die Ursache des Quietschens ein Wechsel aus dem Klebenbleiben und Rutschen des weichen Gummis über die harte Oberfläche des Bodens ist, wissenschaftlich bezeichnet als Stick-Slip-Oszillation. Im Detail erforscht wurde diese Wechselwirkung allerdings bisher noch nicht.

Gleichmäßige Frequenzen

Doch ein Team um Adel Djellouli von der Harvard University in Boston wollte es genauer wissen. „Unser Projekt begann mit der einfachen Frage: Warum quietschen Basketballschuhe?“, sagt Djellouli. Deshalb bauten die Forschenden eine Versuchsvorrichtung, in der ein handelsüblicher Turnschuh mit Rillenprofil automatisch immer wieder mit festgelegtem Winkel und gleichmäßiger Geschwindigkeit laut quietschend über eine Glasplatte bewegt wird. Auf der anderen Seite der Glasplatte montierten die Forschenden eine Hochgeschwindigkeitskamera, die bis zu einer Million Bilder pro Sekunde aufnehmen kann. Die Frequenz des Quietschens erfassten sie gleichzeitig mit einem Mikrofon.

Dabei zeigte sich: Die Kontakte zwischen Schuhprofil und Glas brachen in sehr schneller Folge immer wieder ab und bildeten sich erneut. Die Forschenden bezeichnen das als Öffnungspulse. Diese Pulse traten nicht etwa zufällig auf, sondern breiteten sich wellenförmig über das Gummiprofil der Sohle aus – und zwar mit einer Frequenz, die nahezu identisch mit der Frequenz des per Mikrofon aufgezeichneten Quietschens war. Im Falle des getesteten Turnschuhs lag diese Frequenz bei etwa 4.800 Hertz. Eine glatte, unstrukturierte Gummifläche erzeugte dagegen keine gleichmäßigen Öffnungspulse, sondern löste sich in unregelmäßigen Mustern von der Glasfläche – hörbar eher als Rauschen statt als Quietschen.

Quietschendes Star Wars

Diese Ergebnisse reproduzierten die Forschenden mit unterschiedlichen geformten und gerillten Gummiblöcken. Dabei stellten sie fest, dass die Frequenz der Öffnungspulse von Dicke, Festigkeit und Struktur des Gummis abhängen und sich gezielt beeinflussen lassen. Mit diesem Wissen stellten Djellouli und sein Team Gummiblöcke her, die so zuverlässig einen bestimmten Ton erzeugen, dass sich damit sogar Musik machen lässt. Zur Demonstration ihrer Ergebnisse spielten Mitglieder des Forschungsteam den „Imperial March“ aus Star Wars mit quietschendem Gummi auf Glas nach.

(Video: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)

Doch die Anwendungsmöglichkeiten der Erkenntnisse gehen weit über quietschende Schuhe und musikalische Spielereien hinaus. „Die spontane Anpassung des Reibungsverhaltens ist seit langem ein Traum der Ingenieurswissenschaften“, sagt Djelloulis Kollegin Katia Bertoldi. „Diese neuen Erkenntnisse darüber, wie die Oberflächengeometrie die Gleitimpulse beeinflusst, ebnen den Weg für abstimmbare Reibungsmetamaterialien, die je nach Bedarf von einem Zustand mit geringer Reibung zu einem Zustand mit hoher Haftung übergehen können.“

Sogar für die Erdbebenforschung könnte die Studie relevant sein. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Quietschen eines Turnschuhs sich genauso schnell oder sogar schneller ausbreiten kann als der Bruch einer geologischen Verwerfung bei einem Erdbeben“, sagt Djelloulis Kollege Shmuel Rubinstein. „Ihre Physik ist auffallend ähnlich.“

Quelle: Adel Djellouli (Harvard University, Boston, Massachusetts, USA) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-026-10132-3

© wissenschaft.de – Elena Bernard