YouTube-hit met springende gelballetjes levert nieuwe natuurkunde op

Natuurkunde

Er was nieuwe natuurkunde voor nodig om te verklaren waarom hydrogelballetjes op een hete plaat gaan piepen en dansen.

Stuiterende hydrogelballetjes in een hete koekepan. Universiteit Leiden

Het zijn kleine balletjes die glibberig aanvoelen. Ze zijn er in allerlei kleuren en je kunt ze, in plaats van aarde, gebruiken om planten op te laten groeien. In droge vorm hebben de hydrogelballetjes een flink absorberend vermogen – ze zitten in luiers voor eenmalig gebruik. Maar je kunt er iets veel leukers mee doen. Gooi ze in een hete koekepan en ze beginnen wild te springen terwijl ze een hoog, piepend geluid maken. Ze houden het minutenlang vol.

Tijdens een saaie lezing in december 2016 keek fysicus Scott Waitukaitus van de Universiteit Leiden naar een YouTube-filmpje van de springende balletjes dat viral was gegaan. „Ik probeerde op te zoeken wat dit rare gedrag is”, vertelt hij. „Maar er was niets over te vinden.” Hij ging zelf aan de slag. Hij kreeg er zelfs geld voor van NWO – het verschijnsel is een fundamenteel natuurkundig vraagstuk. De resultaten verschenen dinsdag in Nature Physics.

Als de balletjes op een hete plaat worden gelegd, beginnen ze voorzichtig te stuiteren, en met elke sprong klimmen ze, tot ze vier centimeter halen. Op die hoogte blijven ze minutenlang stuiteren.

De energiestoot die ze uit ieder contact halen bleek mogelijk door de hoge concentratie water in de gelballetjes: 98 procent. Zodra het balletje een heet oppervlak raakt, verdampt aan de onderkant een beetje water, wat de druk veroorzaakt die het balletje omhoogduwt. Met hogesnelheidscamera’s zagen de onderzoekers bovendien dat de onderkant heen en weer trilt tegen de plaat. Die razendsnelle trillingen veroorzaken het hoge piepende geluid dat de stuiterende balletjes maken.

Dit nieuw ontdekte verschijnsel is de elastische variant van het al langer bekende ‘leidenfrosteffect’. Dat beschrijft de dans van waterdruppels die in een hete pan vallen. Daarbij verdampt de onderkant van de waterdruppel zo snel dat de druppel drijft op een een laagje waterdamp.

Het elastische leidenfrosteffect is niet alleen leuk voor YouTube-filmpjes. Het is ook toepasbaar in de robotica, waar steeds vaker zachte materialen, zoals hydrogels, gebruikt worden. Waitukaitus: „Je kunt bijvoorbeeld draadjes in de armen van een hydrogelrobot stoppen en ze opwarmen op de plek waar je beweging wilt.”

Als je het weet zie je het overal: groente en champignons kunnen ook springen en piepen tijdens het bakken. „Dat kan een gevolg zijn van hetzelfde effect”, zegt Waitukaitus.