Leidse wetenschappers ontdekten het geheim van de luidruchtige stuiterdans van hydrogelballetjes op een YouTube-hit.
Een Oekraïense rapper wilde in november 2015 zijn vriendin na het pannenkoeken bakken imponeren door te laten zien wat er gebeurt als je hydrogelballetjes – te halen bij elke plantenwinkel – in een gloeiendhete pan gooit. De balletjes die het van de pijn lijken uit te gillen en al stuiterend de pan willen ontsnappen, bleken een instant YouTube-hit. Nu, ruim anderhalf jaar later, ontdekten natuurkundige Scott Waitukaitis en zijn collega’s van de Universiteit Leiden het geheim achter het bijzondere fenomeen.
Stoomvorming
Het onderzoeksteam dompelde hydrogelballetjes onder in water tot ze voor minstens 99 procent uit water bestonden. Daarna lieten de wetenschappers de balletjes vallen op pannen die tot 215 graden Celsius waren opgewarmd. De valhoogtes varieerden tussen enkele honderden micrometers en 20 centimeter.
Dankzij een hogesnelheidscamera op het stuiteroppervlak van de balletjes konden de wetenschappers precies zien wat er gebeurde. Elke keer dat een balletje de hete pan raakt, deukt de onderkant een beetje in. Daarbij verdampt vliegensvlug een beetje water in het balletje. De stoom die daarbij ontstaat, zorgt ervoor dat het elastische oppervlak van het balletje terugveert en voilà: het balletje wordt gelanceerd.
Geluidstrillingen
Het proces lijkt volgens Waitukaitis en zijn team op het zogenoemde Leidenfrost-effect. Dit is het fenomeen waarbij koude waterdruppels op een heet oppervlak lijken te schaatsen door de plaatselijke vorming van stoomkussentjes.
De stoomvorming in de stuiterende balletjes zorgt tevens voor geluidstrillingen in het contactoppervlak tussen pan en balletje. De frequentie is 2000 tot 3000 maal per seconde en dit past perfect met de frequentie van de stoomvorming in de balletjes.
‘Magische’ stuiterhoogte
Verder ontdekten de wetenschappers dat vier centimeter een ‘magische’ stuiterhoogte is. De balletjes die van een hoogte minder dan dit in de pan werden gegooid, leken tegen de zwaartekracht in te gaan; ze gingen bij elke sprong hoger, tot ze bij die vier centimeter kwamen, waarna ze minutenlang telkens tot deze hoogte stuiterden. Balletjes die een valhoogte van meer dan vier centimeter hadden, deden het andersom; ze leverden bij elke sprong hoogte in, tot ze bij een stuiterhoogte van vier centimeter waren.
Ook dit is prima te verklaren. Die vier centimeter is de hoogte waarbij de energie van de hete pan die het balletje meekreeg met zijn sprong (dit is de kinetische energie) gelijk was aan de energie die verloren gaat bij het weer neervallen in de pan (de impact-energie). Bij deze hoogte is er dus sprake van een heel stabiele toestand, voor een paar minuten tenminste. Bij andere pantemperaturen en samenstelling van de balletjes zou de ‘magische’ stuiterhoogte waarschijnlijk anders zijn, denken Waitukaities en collega’s.
Zachte robotica
Leuk om te weten allemaal, maar kunnen we nog iets met deze stuiterballen? Jazeker, zo kan de kinetische energie worden ingezet om zachte robotica aan te drijven. Deze nieuwe robots timmeren aardig aan de weg. Ze kunnen erg handig zijn bij onderwateronderzoek, medische operaties en zoek-en-redt-missies. Stuiterende hydrogelballetjes kunnen deze robots sneller en flexibeler maken. Nu alleen nog even een manier vinden om het gillen te stoppen…
Bron: Nature Physics, New Scientist
Lees ook:
Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer (geen verzendkosten). Abonnee worden? Dat kan hier!