Wer schon mal dringend einen Ersatz-Fußball brauchte, weiß: Eine leere Getränkedose lässt sich leicht platt drücken. Ist sie noch voll, geht das nicht so einfach. Tatsächlich passiert dabei sogar etwas sehr Merkwürdiges, wie ein Team um Draga Pihler-Puzović von der University of Manchester entdeckt hat. Drückt man die Dose längs immer stärker zusammen, bildet sich nach und nach eine sehr gleichmäßige Serie von Ringen, berichtet das Team in der Fachzeitschrift »Communications Physics«. Das seltsame Phänomen entsteht demnach, weil die nicht komprimierbare Flüssigkeit im Inneren der Dosenwand nur wenig Optionen lässt, sich zu verformen. Dadurch ist das Metall der Dose Bedingungen ausgesetzt, unter denen es sich nichtlinear verhält und abrupt zwischen zwei stabilen Zuständen wechseln kann.

Die Forschungsgruppe komprimierte für die Untersuchung handelsübliche, komplett gefüllte Getränkedosen mit einer hydraulischen Presse. Zusätzlich vermaß sie das nichtlineare, richtungsabhängige Verhalten des Dosenmaterials, das mit dessen Verarbeitung zusammenhängt. Daraus berechneten die Fachleute, dass unter diesen Bedingungen eine Serie von Kipppunkten auftritt, sogenannte Bifurkationen. Dabei wechselt das System lokal abrupt von einem in einen anderen Zustand.

Hinter dem eigenartigen Ringsystem steckt ein als homoklines Schlängeln bezeichneter Prozess, der aus dem deterministischen Chaos stammt. Die zylindrische Wand der gefüllten Dose hat an jedem Punkt ihrer Länge zwei stabile Zustände – einerseits die unveränderte zylindrische Wand der Dose, andererseits die lokale Auswölbung des Rings. Während der Druck von außen zunimmt, schlängelt sich die Dose zwischen diesen beiden stabilen Zuständen hin und her: Es entsteht eine Serie von lokalen Instabilitäten, an denen die Dosenwand sich jeweils an einem Kipppunkt schlagartig nach außen wölbt.

Die erste dieser Instabilitäten tritt nahe der Mitte der Dose auf. Durch den Druck wird das Metall nicht nur entlang der Dosenachse zusammengepresst, sondern es versucht auch, nach außen auszuweichen. Dadurch wird das Metall der Dosenwand entlang ihres Umfangs gedehnt. Das bezeichnet man als Reifenspannung, und wenn die zu groß wird, erreicht das Metall einen Kipppunkt und die Materialeigenschaften ändern sich sehr schnell. Das Metall wird weich und wölbt sich nach außen. Deshalb wird die Dose etwas kürzer, die Spannung durch die Kompression lässt nach und der gerade gedehnte Ring versteift sich wieder.

Steigt der Druck nun weiter an, wiederholt sich der Vorgang an einer anderen Stelle. Der Abstand zum vorher entstandenen Ring hängt dabei nur von Durchmesser und Wandstärke der Dose ab – so entsteht die sehr einheitliche Abfolge von Ringen. Die Forschungsarbeit erweitert damit das Wissen, wie sich zylindrische Gefäße unter Druck verformen. Andere Arbeiten hatten zum Beispiel gezeigt, dass leere Zylinder als Erstes ein dem Yoshimura-Origami ähnelndes Rautenmuster bilden. Technisch sind solche Untersuchungen außerordentlich wichtig, denn zylindrische Behälter kommen in sehr vielen Anwendungsgebieten vor. So ist beispielsweise die erste Stufe der SLS-Rakete, die den Mondflug Artemis II auf den Weg brachte, im Wesentlichen eine sehr komplizierte Dose.