Het is wonderlijk hoe de hersens van een specht (zie figuur 1) ertegen kunnen dat hij duizenden keren per dag met zijn snavel op boomstammen hamert. Zie bijvoorbeeld onderstaande video.
Hij hakt met een snelheid tot wel twintig kilometer per uur op de stam, schijft de NRC van 15 juli 2022. De snavel van een zwarte specht is ongeveer 6 cm lang. In figuur 2 zie je de positie van de punt van de snavel tijdens een deel van een roffel.
a) Welk Romeins cijfer hoort bij elk van de volgende tijdstippen?
- de kop van de specht is het verst van de boom;
- de snavel dringt een beetje de boom binnen;
- de kop beweegt naar de boom toe;
- de snavel staat bijna stil tegen de boom;
- de kop beweegt van de boom af.
De bijbehorende tijdstippen zijn III, II, I, V, IV.
b) Hoe kun je zien dat de snavel bij een van de botsingen een eindje de boom binnendringt?
Kennelijk is het oppervlak van de boomstam als nulpunt van plaats gekozen. Tussen t = 8,00 s en t = 8,06 s ontbreekt een stukje van de grafiek waar de plaats een negatieve waarde heeft. De punt van de snavel bevindt zich dan dus in de boomstam.
c) Welk soort beweging maakt de snavel tussen t = 8,20 s en t = 8,26 s?
De x,t-grafiek is tussen tijdstippen 8,26 s en 8,30 s een rechte lijn. Dat betekent dat de beweging eenparig is.
d) Bereken de snelheid waarmee de snavel de boom treft op t = 8,26 s (in m/s en km/h).
Δx = 10,7 cm.
Δt = 0,06 s
Dus v = Δx / Δt = 10,7/0,06 cm/s = 178 cm/s = 1,78 m/s = 6,4 km/h.
Dit is in overeenstemming met de maximale snelheid van twintig km/h die in de krant genoemd wordt.
e) Wat is er aan de hand tussen t = 8,26 s en t = 8,30 s?
Op t = 8,26 s raakt de snavel met grote snelheid de stam, maar tussen t = 8,26 s en t = 8,30 s verandert de plaats nauwelijks meer. Uit de vorm van de grafiek kun je afleiden dat hij nauwelijks de boom binnendringt. De snavel komt dus in zeer korte tijd tot stilstand. Het is een vertraagde beweging.
f) Bereken de gemiddelde versnelling tussen deze twee tijdstippen.
Als je de grafiek tussen 8,30 s en 8,30 s extrapoleert zie je dat de snavel daar een klein stukje de stam binnendringt. Op t = 8,30 komt de snavel al met kleine snelheid de stam uit. We kunnen die snelheid verwaarlozen, zodat v8,30 = 0 m/s.
Δv = v8,30 – v8,26 = 0 - 1,78 m/s
Δt = 0,04 s
Dus a = Δv / Δt = 1,78/0,04 = 45 m/s2.
Dat is meer dan vier keer zo groot als de valversnelling!
g) Wat betekent dit voor de kop van de specht?
De snavel wordt fors afgeremd. Daarvoor is een grote kracht van de boom op de snavel nodig. De snavel zit aan de kop vast, dus snavel en kop moeten deze kracht opvangen. Goed voor een hersenschudding, zou je denken.
Tot voor kort dacht men dat de hersens van de specht beschermd werd door een sponsachtige structuur in de schedel tussen snavel en hersens (zie figuur 3). Die zou als een schokdemper werken, te vergelijken met de kreukelzone van een auto.
De krant meldt dat onderzoekers, waaronder Sam van Wassenbergh van Universiteit Antwerpen, hebben aangetoond dat deze theorie niet klopt. Ze hebben filmopnamen (zie deze link) gebruikt van hamerende spechten. Daarin markeerden ze enkele punten op de kop van de specht. Zo zagen ze dat de specht geen ‘kreukelzone’ in de schedel heeft. En als die er wél geweest was, dan zou dat ten koste gaan van de slagkracht.
h) Markeer in een print van figuur 3 vier markeringspunten die geschikt zijn om met een video-opname van een roffelende specht te onderzoeken of er wel of niet een kreukelzone is.
De punten moeten op herkenbare plaatsen zitten, aan weerszijden van de veronderstelde kreukelzone. Dus bijvoorbeeld zo:
i) Wat zul je zien als er een kreukelzone is?
Als er een kreukelzone is, bijvoorbeeld het lichtgroene gebied, dan zul je vinden dat de afstand tussen de groene en de blauwe markering tijdens een slag van de snavel verkleind is.
In het onderzoek werd géén verkorting van deze afstand geconstateerd. Ook de andere afstanden werden niet verkort. Er is dus géén kreukelzone.
j) Leg uit dat een kreukelzone wél de hersenen zou beschermen, maar juist niet goed zou zijn voor de slagkracht.
Eerst de bescherming van de hersenen. Dat zou dan werken op dezelfde manier als waarop een airbag in de auto je beschermt bij een frontale aanrijding: de ‘remweg’ van het hoofd, met daarin de hersenen, wordt verlengd. Dan is er een minder grote remkracht (maar wel gedurende langere tijd). De vertraging is minder groot en dus ook de kracht die de voorruit op het hoofd uitoefent, volgens de tweede wet van Newton (F= ma). Dat vermindert het risico van hersenschudding.
En nu de kracht die de snavel op de boom uitoefent. Als er een kreukelzone is, dan wordt bij de inslag op de boom niet alleen de boom ingedeukt maar ook de kreukelzone. De snavel komt dus met kleinere snelheid aan en dringt de boom met kleinere kracht binnen.
Je kunt dit ook met een energiebeschouwing inzien: de bewegingsenergie (van het hele hoofd) wordt deels gebruikt om de kreukelzone in te deuken, waardoor minder energie overblijft voor de inslag.
Daarmee is het raadsel nog niet opgelost hoe het komt dat de specht geen hersenschudding oploopt. Van Wassenbergh denkt dat dat komt door de kleine massa van de hersenen van spechten. Hoe kleiner de massa, hoe minder kracht erop wordt uitgeoefend bij plotselinge vertraging.
k) Wat vind je van deze redenering?
Het klopt natuurlijk dat bij een zekere vertraging de ondervonden remkracht kleiner is als de massa kleiner is. Dat volgt uit F=ma. Maar als het alleen om de massa zou gaan is het vreemd dat nog veel kleinere vogels, die in boomstammen naar insecten zoeken, niet massaal aan het hameren zijn geslagen. Alleen spechten doen dat. Er moet een andere verklaring zijn.
Er was in ieder geval één wetenschapper die niet overtuigd was. Een paar dagen na het bericht in de krant reageerde Vincent Icke, een bekende hoogleraar natuurkunde, met een ingezonden brief. Hij wijst op de ervaringskennis van zijn karate-leermeester. Die leert: “Bij de oizuki (een vuistslag recht vooruit) moet je vlak voor het moment van treffen de spieren van arm, zijde en benen strak spannen. Tegelijk moet het standbeen stevig contact maken met de grond. (…) Je lichaam vangt de schok op, niet alleen de kop. (…) Zo wordt [de specht] op het moment van de inslag één met de boom waarop hij staat, en kan deze vederlichte vogel houthakken.”
l) Pas de redenering van de karateslag toe op de hamerslag van de specht op de boomstam.
Als de specht de boom een hamerslag gaat geven, spant hij al zijn spieren. Het is niet alleen de kop van de specht die op de boom knalt, alsof die los aan de rest van het zijn lichaam zit, maar zijn hele lijf. Uit Fspecht op stam = - Fstam op specht (derde wet van Newton) volgt dan dat de vertraging die hij (snavel, hersens, hele lijf) ondervindt een stuk kleiner is dan wanneer het alleen om de kop zou gaan. Klein genoeg om er geen hersenschudding van te krijgen.
