In de NRC van 3 augustus 2019 stond een artikel over de schaalhoren (ook geschreven als schaalhoorn) Dit is een zeeslak opgebouwd uit zeer sterke materialen. Om meer over de schaalhoren te weten zijn we gaan zoeken op Wikipedia. Dit leverde de volgende informatie op.
De gewone schaalhoren heeft een stevige, kegelvormige schelp. De verhouding tussen hoogte en breedte isnogal verschillend: dieren die vlak bij de kust leven enjonge schaalhorenszijn plat van vorm. De top ligt iets uithet midden van boven gezien.De schaalhoren wordt hoofdzakelijk gevonden op stevige stenen aan kustenwaar golfslag is.
Zeeslakken hebben een zogenaamde rasptong, waarmee ze voedsel van stenen kunnen schrapen. De rasptong van de schaalhoren,radula geheten, is langer dan de schelp zelf. Hij bevat 1.920 tandjes in 160 rijen van elk 12 tandjes.De tandjes lopen taps toe enzijn gemaakt van een natuurlijk materiaal dat bestaat uit de harde stof goethiet, versterkt met vezels van de stof chitine, dat lijkt op cellulose.
De treksterkte van de tandjes kan waarden bereiken die aanzienlijk hoger zijn dan die van spinnenzijde, dat tot nu toe beschouwd wordt als het sterkste biologische materiaal en alleen vergelijkbaar is met de sterkste commerciële koolstofvezels. Het materiaal van de schaalhoren is bestand tegen trek van 6,5 GPa.
a) Geef een definitie van het begrip treksterkte.
De maximale kracht per oppervlakte-eenheidwaarmee aan een materiaal getrokken kan worden zonder dat het materiaal blijvend vervormt of breekt.
De eenheid is gelijk aan die van het begrip druk.
b) Leg uit waarom.
Dat is ook kracht per oppervlakte-eenheid. Volgt uit de definitie
c) Leg uit waarom het begrip treksterkte wordt gebruikt om de sterkte van een materiaal aan te geven en niet het begrip maximale kracht.
De kracht per oppervlakte-eenheid is een betere maat dan alleen de kracht. Nu zijn voorwerpen van verschillende materialen van verschillende afmetingen eerlijk te vergelijken.
Het materiaal van de tandjes is een combinatie van goethiet en chitine.
d) Leg uit waarom dat noodzakelijk is om een sterk materiaal te krijgen. Leg daarvoor uit wat de eigenschappen zijn van elk van de twee stoffen.
Alleen goethiet gebruiken, maakt het materiaal hard, maar bros en snel breekbaar.
Alleen chitine gebruiken, maakt het materiaal flexibel, maar gemakkelijk te vervormen.
De combinatie geeft het harde maar niet brosse materiaal.
De tanden schrapen over de stenen om voedsel te krijgen. Ga uit van een contactoppervlak van 0,1 mm bij 0,1 mm.
e) Bereken de kracht die de tand maximaal kan verdragen.
$p=\frac{F}{A}\rightarrow F=pA=6,5\cdot 10^9\cdot 10^{-8}=65~\mathrm{N}$
In de techniek wordt naar de radula van de schaalhoren gekeken als voorbeeld voor toepassingen. Op de foto staat een beschadigde boorkop. Door de schaalhoren te bestuderen kan het ontwerp van de boorkop worden aangepast.
f) Welke verbetering kan worden aangebracht aan deze boorkop, kijkend naar de schaalhoren?
De tanden van de boorkop kunnen taps gemaakt worden: naar boven steeds smaller.
