Als een rubberen zool glijdt over de vloer van een sporthal, dan ontstaat een typisch geluid. Hoe werkt dat?
Rubberen zolen op een harde ondergrond, in dit geval een basketbalveld
Zoek het dichtstbijzijnde raam, druk je vinger ertegenaan en beweeg hem op en neer. Met de juiste beweegsnelheid gaat de vinger piepen, ongetwijfeld tot irritatie van de mensen om je heen. Zo’n interactie tussen een zacht materiaal en een hard oppervlak leidt tot een karakteristiek geluid, waar ook beoefenaars van zaalsporten bekend mee zijn. Maar wat gebeurt er precies als een rubberen zool over een harde ondergrond glijdt, en waarom maakt dat zo’n typisch geluid?
Van zo’n alledaags fenomeen zou je verwachten dat de werking allang is uitgeplozen. En ja, zogeheten soft-rigid interactions worden al meer dan vijftig jaar bestudeerd. Toch verscheen pas vorige maand een grondig onderzoek in Nature dat specifiek ingaat op het gepiep. Onderzoekers aan de Harvard-universiteit richtten een hogesnelheidscamera en een microfoon op een glasplaat, waarover ze verschillende zachte materialen schoven. Met een precisie van milliseconden brachten ze in kaart hoe de zool van een basketbalschoen over de glasplaat beweegt en welk geluid dat produceert.
De beelden onthullen razendsnelle schokgolfjes in het rubber die van achteren naar voren bewegen. Hoofdonderzoeker Adel Djellouli legt telefonisch uit hoe die ontstaan: „Als er een groot verschil in hardheid is tussen twee materialen die tegen elkaar wrijven, ontstaan er plooien in het zachtere materiaal. Bij het rechttrekken van zo’n plooi, wat door de wrijvende beweging continu gebeurt, ontstaan rimpelingen die zich door het zachte materiaal verspreiden. Dat brengt de lucht in trilling wat onze oren bereikt als een hoorbare piep.”
De golven verplaatsen zich veel sneller dan de beweging van de schoen: de rimpeling raast met zo’n tachtig kilometer per seconde over het oppervlak. De onderzoekers zagen elke seconde bijna vijfduizend van zulke rimpelingen, wat precies overeenkomt met de frequentie van het geluid dat de microfoon oppikte: ook richting de vijfduizend trillingen per seconde. Die snelle plooitjes zijn dus de oorzaak van de piep. Maar waarom piept de schoen, of je vinger, precies met die frequentie?
Die vraag beantwoordden de onderzoekers door rubberen blokjes, met of zonder profiel, over de glasplaat te schuiven. De geribbelde blokjes piepten, terwijl de gladde blokjes klonken „alsof je een plakbandje afscheurt”, zonder duidelijke toon. Djellouli: „Bij schoenen werkt het hetzelfde. Door het profiel kunnen de golven niet meer alle kanten op, maar lopen ze netjes langs de ribbels. Zo krijg je een heel specifieke toonhoogte: een piep.”
Welke toon dat wordt, ligt niet aan de grootte van de ribbels, maar aan de hoogte van het blokje. Er geldt: wie de hoogte van het blokje halveert, verviervoudigt de frequentie van de piep. Een muzikaal ingestelde onderzoeker zou dus met verschillende geribbelde blokjes, elk precies in hoogte op elkaar afgestemd, een deuntje kunnen spelen. Dat hebben Djellouli en zijn team dan ook gedaan: met een viertal ribbelblokjes op een glasplaat speelden ze een gepiepte versie van de Imperial March, het muzikale thema van het keizerrijk uit Star Wars.
Maar terug naar de basketbalschoen: kun je aan de piep ontkomen? Je zou het profiel kunnen afschuren, maar zolang de zool van zacht materiaal gemaakt is, zal de schoen in ieder geval geluid maken. „Je zou ook de piepfrequentie buiten het bereik van het menselijk gehoor kunnen krijgen”, oppert Djellouli. Met een dunnere zool, of een harder materiaal dus. Bij je piepende vinger wordt het overigens lastig om die dunner of harder te maken; daar is het gladschuren van je vingertopje de enige optie.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin