Minimalistische bouwmeesters


Foto: Ischa1

(Extra materiaal behorende bij de QR code uit de krant na de columntekst)

Metaalmoeheid veroorzaakt veel ongelukken, variërend van metalen aanstekers en flesopeners die kapot gaan, tot gebroken fietssturen en vliegtuigen die tijdens een vlucht in stukken uiteenvallen. Bij langdurig, intensief gebruik en veelvuldig herhaalde bewegingen, kunnen op kwetsbare plekken piekbelastingen ontstaan. Als die delen niet stevig geconstrueerd zijn, kunnen ze scheuren en uiteindelijk breken.

Bomen zijn weliswaar niet van metaal gemaakt, maar worden wel hun leven lang door elkaar geschud door zachte briesjes en hevige stormen. Bovendien krijgen ze in koelere gebieden regelmatig een vracht sneeuw op hun kruin. Hierdoor zou gemakkelijk ‘houtmoeheid’ kunnen optreden, zeker als je bedenkt dat sommige bomen meer dan 4.800 jaar oud zijn. Maar bomen hebben een gouden ontwerpregel die dicteert dat de mechanische spanning op het oppervlak overal gelijk moet zijn. Daarmee voorkomen bomen zowel overbelasting als ‘onderbelasting’.

Op plekken met een hogere belasting wordt nieuw hout afgezet. Niet alleen geeft het extra materiaal meer stevigheid, ook zorgt de vorm voor afname van spanning. Dit voorkomt piekbelastingen én dus ook breukvlakken. Hout aanmaken kost echter grondstoffen en energie en die zijn beide schaars in de natuur. Om verspilling te voorkomen maakt de boom alleen materiaal aan waar het echt nodig is. Er bestaat dan ook geen flierefluitend hout; elk stukje boom draagt een eerlijk deel van de last.

Botten gaan nog een stap verder: op plaatsen waar geen of weinig spanning is, wordt materiaal verwijderd. En dat is maar goed ook. Was de schedel van een olifant massief, dan zou het grootste landdier er letterlijk een zwaar hoofd in hebben en met zijn kop over de grond slepen. Vogels konden flapperen wat ze wilden, maar kwamen met zware botten niet van de grond. Daarom hebben beenderen een sponsachtige structuur die voldoende stevigheid combineert met minimaal materiaalgebruik. Zo bezitten vogels holle botten, licht genoeg om mee te vliegen en hebben olifanten vele luchtige holtes in hun schedel, waardoor ze toch met opgeheven hoofd rondlopen.

Bomen en botten zijn duidelijke über-minimalisten. Ze inspireerden Duitse onderzoekers tot een softwaremethode waarmee objecten worden ontworpen die zowel stevig zijn, áls licht van gewicht áls resistent tegen (metaal)moeheid. Uitgaande van een ruw basisontwerp wordt net zo lang materiaal verwijderd uit onbelaste gebieden tot de minimaal vereiste stevigheid is bereikt. Er kunnen dan nog piekbelastingen zijn en die worden opgevangen door – waar nodig – materiaal toe te voegen of weg te halen. Hiermee besparen ontwerpers aanzienlijk op energie en op schaarse, dure grondstoffen. Denk aan energiezuinige en lichte, maar veilige voertuigen.

Inmiddels zijn talloze producten gemaakt of geoptimaliseerd met de softwaremethode: kruiwagens, T-balken, fietsframes, windmolenpalen, gereedschap, schakels van kettingen, meubelen en auto-onderdelen. Het opmerkelijkst zijn de orthopedische platen en schroeven waarmee implantaten aan botten worden bevestigd. Normaal gesproken kunnen ze na verloop van tijd door overbelasting breken. Gemaakt met de op bomen en botten geïnspireerde methode, zijn ze beter bestand tegen metaalmoeheid. Zo worden botten dus geholpen door botten.

Ook leuk om te weten naar aanleiding van de column:

Een typisch geval van metaalmoeheid doet zich voor bij een bifurcatie of tweevork. In onderstaande figuur is de spanning in de vork van een dergelijk object in kleur weergegeven. Let daarbij vooral op de spanning aan de randen. In rood zijn de piekspanningen aangegeven, waar gemakkelijk breuken ontstaan. Blauw geeft juist een lage spanning aan. Op die plek is het object overgedimensioneerd.

Hetzelfde object ontwerpen met behulp van de “bomen en botten methode” levert een vork met een subtiel andere vorm op. Zowel de piekspanning als de lage spanning zijn daardoor afwezig. Nu is aan de rand overal een uniforme spanning, aangegeven met de kleur geel. Bovendien wordt zonder verlies van de gewenste eigenschappen veel materiaal bespaard in de steel van het object.

Omdat bomen vele bifurcaties hebben is het maar goed dat de natuur ze heeft uitgerust met een optimale groeivorm voor het opheffen van ongelijkmatige spanningsverdelingen. Mooie voorbeelden van ontwerpen geinspireerd door deze groeiwijze zijn hier en hier te vinden.

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 31 oktober 2014

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84