Waarom brengt een touw geen compressiekrachten over?

[Arie Bombarie]

Goedendag,

We weten allemaal dat een 'normaal' touw van bijvoorbeeld 1 meter geen compressiekrachten kan overbrengen wanneer je aan de ene kant van het touw een drukkracht uitoefent. Trekbelastingen zijn daarentegen geen probleem, tot een zekere hoogte uiteraard.

Hoe is dit te verklaren? Ik neem aan dat dit uiteindelijk met de (soort / type?) molecuulbindingen te maken heeft, maar hier weet ik het fijne niet van...

[EvilBro]

Het heeft mijn inziens weinig met de moleculebindingen te maken. Je kunt immers een touw een paar keer twisten om een steviger touw te krijgen. Daarbij verandert er niks aan de moleculen. Ik vermoed dat het probleem normaal is dat een touw allemaal draadjes zijn (in de lengterichting) en dat deze relatief vrij naar opzij kunnen bewegen.

[Benm]

Dat is het inderdaad - het trouw kan gewoon vervormen.

Stel dat je een touw in een buis zou stoppen die er precies omheen past, dan is het prima mogelijk aan de ene kant op het touw te drukken met als gevolg dat je aan de andere kant iets uit de buis duwt. Uiteraard gaat ditzelfde ook met bijvoorbeeld zand, een vloeistof etc.

[Kliche]

Als het touw door het verlengde van laten we zeggen een pvc-buis wordt gelegd kan hij zeker wel kracht naar beide richtingen uitoefenen.

edit: en dat stond er al

[Arie Bombarie]

Hartelijk dank voor jullie antwoorden, alleen dit is niet helemaal waar ik naar op zoek ben.

Laat ik het eerst wat algemener verwoorden:

Welke factoren van een materiaal zorgen voor de druksterkte van dat materiaal?

Stel dat ik een nieuw (laten we aannemen homogeen) materiaal heb uitgevonden. Hoe kan je nu zonder te testen een goede schatting maken van de druksterkte van het materiaal?

Het touw is misschien niet zo'n goed voorbeeld. Maar waarom vervormt bijvoorbeeld een rubberen 'sliert' (zonder buis eromheen) bij een drukbelasting, in plaats van deze drukbelasting te weerstaan zonder te vervormen (zoals bijvoorbeeld het geval is bij een ijzeren staaf).

[Benm]

Dat is niet zo gemakkelijk te bepalen op basis van moleculaire structuur alleen. Als je bijvoorbeeld een touw vlecht van glasvezels heeft dat nog steeds geen kans om fatsoenlijke veel drukkracht uit te oefenen, althans niet vergeleken met een glazen staaf gemaakt van precies hetzelfde materiaal.

[Kalkoen]

Het touw is misschien niet zo'n goed voorbeeld. Maar waarom vervormt bijvoorbeeld een rubberen 'sliert' (zonder buis eromheen) bij een drukbelasting, in plaats van deze drukbelasting te weerstaan zonder te vervormen (zoals bijvoorbeeld het geval is bij een ijzeren staaf).

Dat is niet helemaal correct.... een ijzeren staaf die voldoende belast wordt, zal eveneens vervormen. Stel dat we een rubberen sliert of een touw of gelijk wat hebben, zal die, indien het eindje kort genoeg is, mogelijks wel rechtop blijven staan. Elk vast materiaal heeft een weerstand tegen vervormen. Ik ga even door enkele gevallen om je te laten aanvoelen welke elementen een invloed hebben:

Die heeft enerzijds te maken met de doorsnede van het materiaal:

- een dikke staaf kan een grotere belasting aan dan een dunnere staaf

- als je een voldoende dik touw hebt, kan je dit misschien wel op compressie gaan belasten, terwijl een dunner touw slap valt

- als je rubberen sliert rechtop zet van pakweg minder dan een centimeter breedt, valt deze misschien slap, maar als je een rubberen blok maakt van enkele centimeters breedt van hetzelfde materiaal , kan je hier wel op steunen. Voorwaarde is dat je je blok groot genoeg maakt.

- Om bij het voorbeeldje van de rubberen blok te blijven, omdat dit intuitief te verstaan is: als we de doorsnede van die rubberen blok gelijk houden, pakweg 10 bij 10 cm, maar de lange zijde langer maken, pakweg 2 m lang, dan zal die plots veel buigzamer worden in die richting. Wanneer die balk in de korte richting wordt samengedrukt, is die nog steeds vrij stevig.

Dit maar om u te laten aanvoelen: er is dus een invloed op het stijfheidsgedrag van uw balk of koord of staaf die te maken heeft met de doorsnede en de lengte van uw vorm ten opzichte van de belasting. De geometrie dus.

Een volgende element, en dat is vermoedelijk het eenvoudigst te snappen:

- een staaf met eenzelfde lengte en eenzelfde doorsnede bestaande uit staal, zal een grotere kracht kunnen opvangen dan diezelfde staaf bestaande uit rubber of trouw. Dit heeft dus duidelijk iets met de vervormbaarheid van het materiaal zelf te maken. Hier zijn zaken als elasticiteitsmodulussen bepalend. Een elasticiteitsmodulus drukt uit wat de vervorming is van een materiaal bij een gegeven vorm en belasting. Staal is dus veel minder eenvoudig te vervormen dan touw, maar desondanks is het vervormbaar. Waarom het ene materiaal vervormbaarder is dan het andere materiaal, heeft inderdaad terecht te maken met de moleculaire structuur van het materiaal. Een touw dat bijvoorbeeld uit kunststof bestaat (bv. polypropyleen), kan langsheen zijn lange sliervormige moleculaire koolstofbindingen met langs de zijden waterstofmoleculen op gemakkelijker buigen. Staal heeft een dicht kristalrooster waarin ijzer aan ijzer is gebonden, is veel compacter, en zal daarom dus veel steviger in zijn moleculair rooster blijven zitten. In die zin is dit enigszins een antwoord op je deelvraag: het is mogelijk om min of meer te gaan inschatten wat de stijfheid zal zijn, puur op basis van hoe uw materiaal moleculair is opgebouwd. Een ander voorbeeld: Diamand bestaat net als polypropyleen (PPE) uit koolstof, maar die koolstof is zuiver gebonden aan alle andere koolstoffen en is langs alle kanten sterk ingebonden. Hier zijn geen slierten door de aanwezigheid van zijdelings ingeplaatste waterstoffen - dus dit is weinig vervormbaar. Zuiver theoretisch is één en ander dus in te schatten, maar om iets exact te weten is het dus wel handig om dit aan een belastingsproef te onderwerpen.

Verder is er nog de invloed van de belasting: dat kort eindje touw dat misschien nog wel net rechtop blijft staan, is bij de minste belasting samengedrukt. Maak je dit touw langer, dan is de belasting dat op dit touw werkt het gewicht van het touw zelf. Maak je een dunnen stalen staaf tientallen meters lang, dan zal ook die staaf onder zijn eigen gewicht bezwijken. Maak je een staaf korter, maar belast je dit met een grote kracht, dan zal die staaf ook bezwijken.

Desondanks wordt in alle gevallen waar vervorming optreedt iets 'samengedruk', en dat kan alleen maar als het eindje langs de andere kant een weerstand geeft. Bijgevolg is, ondanks wat je intuitief aanvoelt, toch wel een - weliswaar zeer kleine - druk doorgegeven naar de andere kant. Probeer eens met een kort garendraadje (pakweg 1 cm) in het los strandzand te tekenen. Je zal zien dat daar afdrukken in komen.

Conclusie: op misschien enkele spitstechnologische uitzonderingen van materialen die eventueel zouden krimpen als ze belast worden en waar jij en ik nog nooit van hebben gehoord, geeft elk materiaal waarop je een compressie geeft, die druk door, en naargelang de vorm, de materiaaleigenschappen en de belasting, zal die druk hetzij door het materiaal zelf worden opgenomen, maar hoe dan ook wordt een minimale hoeveelheid ook door gegeven.

[Benm]

Ik snap wel waar je heen wilt... en heb ook geen problem met de redenatie aan het doorgeven van kleine drukkrachten door zaken die normaliter 'slap als spaghetti' zijn.

In de praktijk denk ik alleen dat het nogal belangrijk is te kijken naar de fysieke opbouw van een macroscopisch geheel als een touw, en niet naar de chemische samenstelling. De verhouding tussen druk- en treksterkte van een object hangt er toch vooral vanaf hoe het is vormgegeven.

Uiteraard zijn er legio toepassingen waarbij een combinatie van weinig druk/buigsterkte en hoge treksterkte gewenst is. Staalkabel is meestal gevlochten om zo een materiaal te krijgen dat te buigen is langs katrollen en dergelijke, terwijl de treksterkte groot is.

[Kalkoen]

In de praktijk is een touw inderdaad ook enigszins gevlochten, en die vlecht is ook heel moeilijk in te schatten

In de praktijk denk ik alleen dat het nogal belangrijk is te kijken naar de fysieke opbouw van een macroscopisch geheel als een touw, en niet naar de chemische samenstelling. De verhouding tussen druk- en treksterkte van een object hangt er toch vooral vanaf hoe het is vormgegeven.

En wat dan met beton? Dat trek je zo uiteen, maar kan imense drukken weerstaan. Dit heeft toch wel te maken met de bindingseigenschappen op moleculair niveau.

[Benm]

Beton is een beetje een lastig voorbeeld, omdat het niet uit 1 stof bestaat, maar feitelijk een mengsel is van harde deeltjes die aan elkaar geplakt zitten door cement.

Als je naar dat cement kijkt is het voornamelijk calciumcarbonaat (na uitharding). Afhankelijk van de kristalvorm is dat een materiaal dat best een behoorlijk treksterkte kan hebben.