Wissenschaftliches Rätsel gelöst

Forschung enthüllt, warum Turnschuhe quietschen

Das Geräusch von quietschenden Turnschuhen auf dem Hallenboden kennt wohl jede:r aus dem Schul- oder Vereinssport. Doch wie genau das Geräusch entsteht, konnte sich die Wissenschaft bislang nicht eindeutig erklären. Nun jedoch ist es einem internationalen Forschungsteam gelungen, dem Phänomen auf den Grund zu gehen: In einer kürzlich im Fachjournal Nature veröffentlichten Studie zeigten die Forschenden der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Cambridge mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras, was beim Rutschen von Basketballschuhen wirklich passiert.

Versuchsaufbau mit Glasplatte und Hochgeschwindigkeitskamera

Um der Ursache des Quietschens auf den Grund zu gehen, entwickelte das Forschungsteam zunächst einen Versuchsaufbau, mit dem sich das Geräusch unter kontrollierten Bedingungen zuverlässig erzeugen ließ. Dafür wurde ein handelsüblicher Basketball-Sneaker in einem Winkel von 45 Grad und mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde wiederholt über eine Glasfläche geschoben. Dabei entstand ein hochfrequentes Geräusch mit rund 4.800 Hertz. Gefilmt wurde das Ganze durch das Glas mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die bis zu einer Million Bilder pro Sekunde aufzeichnete, während ein Mikrofon das Quietschen parallel erfasste.

Die Auswertung zeigte, dass sich Kontakte zwischen Schuhsohle und Untergrund laufend lösen und wieder schließen – und zwar mit nahezu derselben Frequenz, die auch in den Audioaufnahmen des Quietschens gemessen wurde. Für die Forschenden ist das ein deutlicher Hinweis darauf, dass genau diese extrem schnellen Kontaktabbrüche und Kontaktschlüsse das charakteristische Geräusch auslösen. Überraschend war dabei vor allem die Geschwindigkeit, mit der dieser Vorgang abläuft: Laut Studie geschieht er nahezu in Überschallgeschwindigkeit.

Gummiblöcke quietschen "Star Wars"-Titelmelodie

In einem zweiten Teil der Untersuchung ersetzten die Forschenden den Sportschuh durch Gummiblöcke unterschiedlicher Höhe sowie mit verschiedenen Oberflächenstrukturen. Dabei zeigte sich, dass glatte Blöcke lediglich unregelmäßige Ablöseimpulse erzeugten, die eher als Rauschen oder Zischen wahrgenommen wurden. Blöcke mit rippenartigen Strukturen lieferten hingegen periodische Impulse und damit deutlich klarere Tonfrequenzen – ähnlich wie beim getesteten Sneaker. Nach Einschätzung des Teams wirkt die räumliche Struktur dabei wie ein Wellenleiter, der bestimmte Frequenzen in einem regelmäßigen Zyklus einfängt.

Zudem hatte auch die Höhe der Gummiblöcke Einfluss auf den Klang: Je höher die Blöcke waren, desto tiefer lag die Hauptfrequenz des erzeugten Tons. Auf Basis dieser Erkenntnisse konstruierten die Forschenden sogar spezielle Blöcke für einzelne Töne und quietschten damit manuell an einer senkrechten Glasscheibe die Titelmelodie von "Star Wars".

Mögliche Relevanz für Erdbebenforschung

Über den Sport hinaus könnten die Ergebnisse auch für andere Forschungsfelder relevant sein. So sehen die Beteiligten Potenzial für die Entwicklung neuer Materialien mit gezielt steuerbaren Haft- und Gleiteigenschaften. Zudem könnte die Studie auch neue Impulse für die Erdbebenforschung liefern. Denn auch bei tektonischen Verschiebungen verhaken sich Flächen miteinander, lösen sich plötzlich wieder und setzen dabei Kräfte frei. Laut den Forschenden deutet ihre Arbeit darauf hin, dass die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse stärker mit solchen geologischen Vorgängen vergleichbar sein könnten als bislang angenommen.

Die gesamte Studie können Sie hier nachlesen.