De fysica van een rollende rubberen band

Onderzoekers hebben een experiment uitgevoerd om er exact achter te komen welke krachten er allemaal in werken op een bal die van een helling rolt. Dit experiment werd onder andere ook gebruikt door Galileo om de wetten van beweging en versnelling te verstaan. Maar nu werd dit experiment uitgevoerd met een vervormbare bal. Men maakte gebruikt van een rubberen bal en uit de resultaten bleek dat hoe sneller men deze bal laat rollen, hoe meer deze bal ging vervormen.

Wanneer wetenschappers verstaan hoe plooibare materiaal beïnvloed wordt door de omgeving en omstandigheden, dan kan dit helpen om voorspelling te doen over het gedrag van dergelijke materialen in specifieke situaties. Dit onderzoek werd uitgevoerd door wetenschappers van MIT en Ecole Polytechnique in Parijs. Eerst hebben ze een rubberen band gemaakt van circulaire polymeren lussen van vinyl polysiloxaan. Het was wel niet mogelijk om deze rubberen van een helling te laten rollen zoals Galileo dat deed met een bronzen bal. Er is namelijk een relatief grote afstand nodig vooraleer de rubberen band snel genoeg zou rollen zodat deze vervormd. Deze afstand was groter dan de ruimte waarin de testen doorgingen. Om dit probleem op te lossen werd de helling vervangen door een trommel die ronddraait waarin men de rubberen band kan plaatsen.

De proefopstelling lijkt op het eerste zicht op een hamsterwiel. Maar in plaats van een hamster zit er een rubberen band in de trommel. Wanneer men de trommel laat ronddraaien aan een lage snelheid, dan vervormd de rubberen band tot lange, smalle ovaal. En bij hogere snelheden, dan viel de ovaal in zodat de bovenkant naar beneden viel tot dat hij bijna de onderkant raakt. Wanneer de snelheid te groot werd, dan kwamen de bovenkant en de onderkant tegen elkaar te wrijven. Door de wrijvingskracht tussen de boven- en onderkant, die in tegengestelde richting beweging, vloog de band dan uiteindelijk uit de trommel.

Deze waarnemingen werden dan gemodelleerd gebruik makend van verschillende combinatie van vergelijkingen met betrekking tot zwaartekracht, versnelling, buigkrachten, centrifugaalkrachten, interne stijfheid en etc. om de vorm van de rubberen band te beschrijven. In het begin zorgt de stijfheid van de band ervoor dat de zwaartekracht gebalanceerd wordt en dat de band zijn vorm behoudt. Wanneer men de band laat rollen, zal in het begin de zwaartekracht ervoor zorgen dat de band zijn vorm kan behouden. Maar éénmaal bij een hogere snelheid, dan worden de andere krachten te groot waardoor de band gaat vervormen.

Dit onderzoek kent een aantal potentiële praktische applicaties, de belangrijkste hiervan is waarschijnlijk voor de rubberen banden van auto's.

Op deze link kunt u een video terugvinden van het experiment.

via [news.sciencemag]