Hvorfor er en elastik elastisk?

Da vores læser Pernille skulle sætte sit hår op en morgen, kom hun til at tænke på, at hendes hårelastik faktisk har nogle bemærkelsesværdige egenskaber.

Hun hev i hårelastikken, og den vendte tilbage til sin oprindelige form. Det samme kunne hun ikke sige om tandbørsten eller håndvasken.

Men hvorfor kunne elastikken egentlig det, når de andre ting ikke kunne, tænkte Pernille for sig selv.

Ansporet af nysgerrighed gjorde hun det eneste rigtige og satte sig til tasterne for at sende en mail ind til Spørg Videnskaben.

»Hvad sker der egentlig i en elastik, for at den bliver elastisk?« skriver Pernille i sin mail.

Her på redaktionen er vi enige med Pernille i, at spørgsmålet både er interessant og bør kunne besvares af videnskaben. Vi har derfor sendt det videre i retning af dr. techn. Grethe Winther fra DTU Mekanik ved Danmarks Tekniske Universitet.

Elastikkens molekyler vil helst være hulter til bulter

Grethe Winther forsker i materialers egenskaber, og hun beretter, at en elastik er elastisk, fordi den består af lange molekyler, som helst vil være i en tilstand af 'hulter til bulter'.

»Hvis man trækker i en elastik, bliver de lange molekyler trukket ud i en udstrakt og ordnet form, som de fysisk set ikke vil være i,« siger Grethe Winther og fortsætter:

»Når man slipper elastikken igen, vender molekylerne tilbage til den oprindelige form, hvor de lange kæder ligger som i et rodet garnnøgle.«

Elastikker - og ledninger - elsker uorden

Elasticitet har med termodynamikkens anden lov at gøre. Termodynamikkens anden lov fortæller, at et system altid vil bevæge sig mod en tilstand af mere uorden.

Det betyder blandt andet, at de lange molekyler inde i elastikken hellere vil ligge hulter til bulter, end de vil ligge i pæne, ordnede rækker. Når de lange molekyler ligger mere hulter til bulter, er tilstanden mere uordentlig, og det opnår elastikken i slap tilstand.

Når Pernille trækker elastikken ud, bliver de lange molekyler arrangeret mere ordenligt på rad og række, men på grund af termodynamikkens anden lov hopper elastikken ud af dette stadie igen i det øjeblik, hvor Pernille slipper elastikken.

Et andet eksempel er ledninger, der altid vil vikle sig ind i hinanden, uanset hvor pænt du starter med at arrangere dem. Det skyldes også termodynamikkens anden lov, der gælder for alt i universet, og problemstillingen med ledningerne kan du for resten læse mere om her.

Elastikker kræver lange molekyler

Alle materialer er desuden ikke lige elastiske, hvilket Pernille også har opdaget. Eksempelvis er metaller ikke særligt elastiske, og det er porcelænet i Pernilles håndvask heller ikke.

Årsagen er, at metaller og porcelæn ikke består af lange kæder, som kan vikles ind i hinanden og efterfølgende trækkes ud.

Derimod har metaller og porcelæn en meget velordnet struktur, der består af krystaller, som ikke kan bevæge sig i forhold til hinanden.

Hverdagens gode, elastiske materialer består altid af lange molekyler, som fortrinsvist er bygget op af kulstof eller silikone.

Syntetisk gummi er i mange tilfælde lavet af lange silikonebaserede molekyler, mens naturgummi er baseret på kulstof. Andre naturmaterialer som edderkoppespind eller sener har et højt indhold af kulstof og kvælstof.

Desuden er elastiske materialer heller ikke altid lige elastiske.

»Nogle elastiske materialer er elastiske ved stuetemperatur, mens andre skal bruge højere temperaturer for at få disse egenskaber. Man taler her om glasovergangstemperaturen, som er individuel for forskellige materialer. Materialerne er gummiagtige over glasovergangstemperaturen, men hårde under denne temperatur,« forklarer Grethe Winther.

Pernilles tandbørste er eksempelvis lavet af et hårdt plastikmateriale, der ikke er elastisk ved stuetemperatur, men kan blive det ved opvarmning.

Gummi er en elastik

Man har kendt til elastiske materialer i længere tid, end man selv har kunnet lave dem. Eksempelvis har man længe kendt til saften fra gummitræer.

Gummitræssaften har man dog været nødt til at modificere, for at materialet kunne bevare den ønskede elastiske effekt, og her kommer vi ind på en anden egenskab ved elastisk materiale.

Det forholder sig nemlig sådan med naturgummi, at de lange kæder i gummiet ikke holder fast i hinanden. Derfor kan gummiet ganske vist strækkes ud og trække sig sammen igen, men holdes det strakt i lang tid, vil det ikke vende tilbage til sin oprindelige form.

De lange kæder finder blot et nyt stadie af uorden og er ligeglade med, om det var det samme, som de kom fra. De har 'glemt' deres oprindelige form.

For at opnå den egenskab, som kendetegner eksempelvis Pernilles hårelastik, laver man derfor en kemisk modifikation af gummiet, så de lange kæder bindes til hinanden forskellige steder.

Det betyder, at kæderne ikke over tid kan vikle sig ud af hinanden og glemme, hvordan de oprindeligt var arrangeret. Derfor vil gummiet stadig vende tilbage til den uorden og form, som den kom fra.

»Processen kendes under navnet vulkanisering. Man laver nogle kemiske svovlbindinger mellem kæderne, hvor de er tvunget til at sidde sammen,« forklarer Grethe Winther.

Elasticitet forsvinder med tiden

Elastikker kan altså også have en tidsfaktor indbygget i sig, hvilket man også vil opleve, når man puster en ballon op.

Balloner er designet til at være elastiske, men de mister deres elastiske evne med tiden og vender ikke helt tilbage til deres oprindelige form, hvis de er pustet op i lang tid.

Dette skyldes, at de lange molekylekæder får tid til at vikle sig delvist ud af hinanden og glemme deres oprindelige form, og til sidst mister de evnen til at trække sig helt sammen igen.

Det gælder både ballonerne og Pernilles elastik, hvis hun hiver i den for længe ad gangen.

Vi håber, at Pernille fik svar på sit spørgsmål. Vi takker i hvert fald for det og kvitterer med en Spørg Videnskaben-T-shirt.

Vil du også gerne have fat i en af vores T-shirts, kan du sende os et spørgsmål på sv@videnskab.dk - eller snyde lidt og gå ind her og købe den.