Algemeen

Sneller buigen bij minder druk

1
rubber buigen bij Amolf
Links: de staaf uit metamateriaal zonder druk met daarnaast een vergroting van de elliptisch gevormde gaatjes. Rechts: het zelfversterkende effect waarbij de staaf uit metamaterial sneller buigt bij afnemende druk (foto: FOM).

Onderzoekers van het FOM-instituut Amolf, het Leiden Institute of Physics en Harvard University hebben aangetoond dat een rubberen staaf die onder minder druk komt te staan, juist sneller doorbuigt. Dit gedrag strookt niet met onze verwachtingen en voldoet niet aan eeuwenoude wetten die het buigsproces voorspellen. De staaf is gemaakt van metamateriaal, een materiaal met bijzondere eigenschappen dat niet in de natuur voorkomt. Door de staaf te voorzien van een zorgvuldig gekozen patroon van kleine gaatjes, wisten de onderzoekers het vreemde gedrag bij het buigen te veroorzaken.

Het metamateriaal vormt een rubberen staaf van ongeveer 20 cm, met daarin een patroon van elliptisch gevormde gaatjes. De gaatjes geven de metastaaf een bijzondere eigenschap. De onderzoekers merkten dat bij een bepaalde mate van druk op een omslagpunt een zelfversterkend effect optreedt: de staaf buigt steeds verder door terwijl de druk juist afneemt. Groepsleider Martin van Hecke: “Het is net als bij het duwen van een auto. Je verwacht dat je harder moet duwen om de auto sneller te laten gaan. Maar hier hebben we een situatie waarbij de auto steeds harder gaat terwijl je zachter duwt.”

Buigen op maat

De onderzoekers gingen op zoek naar de oorzaak voor dit zelfversterkende effect. Ze ontdekten dat  de staaf uit metamateriaal bij een geringe druk  gemakkelijk indrukt, maar moeilijk uitrekt. Bij normale materialen zonder gaatjes is dit verschil tussen trekken en duwen alleen zichtbaar bij een grote druk.

Deze gevoeligheid voor het verschil tussen trekken en duwen veroorzaakt het vreemde effect tijdens het buigen van de staaf. De vorm en de plaats van de gaatjes bepalen nauwkeurig het moment waarop dit effect optreedt.  Zo kunnen de onderzoekers de eigenschappen van het materiaal op maat maken, door het wijzigen van het gaatjespatroon.

Oude bouwprincipes

De komst van de metamaterialen staaf brengt eeuwenoude bouwprincipes aan het wankelen. De relatie tussen buiging en druk is 250 jaar geleden vastgelegd door Leonhard Euler in zijn universele wet over de elastische instabiliteit van staven. Zijn theorie vormt sinds die tijd de basis voor het bouwen van huizen en bruggen. Euler ging ervan uit dat een materiaal alleen onder hoge druk een verschil laat zien tussen trekken en duwen.

De staaf uit metamateriaal laat zien dat het anders kan en opent daarmee de deur voor nieuwe ontwikkelingen. Bruggen bouwen met een dergelijke staaf zal volgens de onderzoekers niet gebeuren, maar het is denkbaar dat een robotarm dankzij mechanische schakelaars gebaseerd op dit materiaal slimmer kan buigen.

Het onderzoek is samengevat in onderstaand filmpje.

1 reactie op “Sneller buigen bij minder druk

  1. Jos schreef:

    Wat een vergelijking , rubber met gaatjes en stalen profielen, ik kan die staaf nog laten buigen bij trekkracht ipv druk. voor mij blijft Euler geldig.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven