Natuurkunde

Nieuw kunstje bedacht met oude trillingsplaat

Geen wetenschapsmuseum kan zonder Chladni-opstelling: een metalen plaat met daarop wat zand, dat zich in sierlijke patronen schikt als de plaat aan het trillen wordt gebracht. De Duitser Ernst Chladni (1756-1827) beschreef de patronen al in 1787, maar Quan Zhou en collega's van de Aalto Universiteit bij Helsinki hebben na ruim twee eeuwen een nieuwe toepassing gevonden, beschrijven ze in Nature Communications van maandag.

Door precies de juiste melodieën te spelen, konden zij zaadjes, snoepjes, elektronische onderdelen, moertjes, en ook waterdruppels een van tevoren uitgestippelde route laten volgen over de platen.

Wat Chladni-patronen zijn, verklaarde de Franse wiskundige Sophie Germain in 1816. Bij iedere harmonische trillingsmodus van de metalen plaat zijn er gedeelten waar de plaat juist niet trilt, de zogenaamde 'knooplijnen'. Daar stuitert het zand niet weg, maar hoopt het zich juist op.

Zhou en collega's onderzochten of je ook iets constructiefs zou kunnen met de trillingen van de plaat búiten de knopen. In plaats van zand legden ze zo’n honderd bolletjes soldeertin op de platen, en brachten die aan het trillen met verschillende muzieknoten.

Met een camera en volgsoftware brachten ze de verplaatsing van de bolletjes in kaart: afhankelijk van de positie en de gespeelde toon bleken de bolletjes tamelijk consequent in dezelfde richting te bewegen.

Dat maakte het mogelijk om voorwerpen op de platen te manipuleren. Bij iedere positie en gewenste richting van bijvoorbeeld een chiazaadje speelt de computer de juiste toon af. De camera volgt dan de vorderingen van het zaadje, en de volgende toon wordt bepaald.

De onderzoekers konden niets beters verzinnen dan het traceren van het logo van hun instituut (in een minuut, versneld weergegeven in een video). Maar de techniek kan misschien ook gebruikt worden om korrels grondstoffen te sorteren, of in een lab-on-a-chip, een geminiaturiseerde chemische reactor, denken de onderzoekers.