Contact tussen stokken helpt nestachtige materialen te versterken, blijkt uit computersimulaties
Nieuwe experimenten laten zien hoe contact tussen stokken helpt bij het versterken van materialen die lijken op vogelnesten.
Om zijn nest te bouwen, zal een vogel niet voor een oude twijg gaan. Op de een of andere manier kiezen vogels materiaal dat een gezellig, stevig nest zal creëren.
“Dat is gewoon totaal raadselachtig voor mij”, zegt natuurkundige Hunter King van de Universiteit van Akron in Ohio. Vogels lijken een gevoel te hebben voor hoe de eigenschappen van een individuele stok zich vertalen naar de kenmerken van het nest. Die relatie “is iets dat we niet meteen weten over voorspellen”, zegt King.
Een vogelnest is een speciale versie van een korrelig materiaal: een stof, zoals zand, bestaande uit vele kleinere objecten (SN: 30-4-19). King en collega’s combineerden laboratoriumexperimenten en computersimulaties om de eigenaardigheden van nestachtige korrelige materialenrapporteren de onderzoekers in een studie die verschijnt in Fysieke beoordelingsbrieven.
In de experimenten drukte een zuiger herhaaldelijk 460 bamboestaven samen die in een cilinder waren verspreid. Met de computersimulaties konden onderzoekers de punten analyseren waar stokken elkaar raakten, wat de sleutel is tot het begrijpen van het materiaal, zegt het team.
Hoe meer kracht de zuiger op de paal uitoefende, hoe stijver de paal werd, wat betekent dat hij weerstand bood aan verdere vervorming. Terwijl de zuiger naar beneden ging, schuiven de stokken tegen elkaar aan en de contactpunten ertussen werden opnieuw gerangschikt. Dat verstevigde de stapel door extra contactpunten tussen stokken te laten vormen, waardoor ze niet verder konden buigen, toonden de simulaties.
Veranderingen in de stijfheid van de stapel leken achter te blijven bij de beweging van de zuiger, een fenomeen dat hysterese wordt genoemd. Dat effect zorgde ervoor dat de stapel stijver was wanneer de zuiger naar binnen duwde dan wanneer het materiaal terugkaatste toen de zuiger zich terugtrok. Simulaties suggereren dat de hysterese ontstond omdat de aanvankelijke wrijving tussen de stokken moest worden overwonnen voordat de contactpunten begonnen te herschikken.
Naast vogelnesten zou dit onderzoek ook kunnen worden toegepast op andere materialen die zijn gemaakt van ongeordende arrangementen van lange vezels, zoals vilt. Met een beter begrip van de fysieke eigenschappen van dergelijke materialen, zouden ingenieurs ze kunnen gebruiken om nieuwe structuren te creëren die zijn ontworpen om niet alleen vogeleieren te beschermen, maar ook andere lading die mensen als kostbaar beschouwen.
