Ionica Smeets

Op weg naar mijn werk fiets ik langs een poster voor mega-M&M’s die ‘3x zo groot zijn’. De rest van de dag zit ik achter mijn bureau en denk aan chocolade. Dit schreeuwt om nader onderzoek. Wat zou er bedoeld worden met ‘3x zo groot’? Is de diameter drie keer zo groot? Of het totale ding?

Dat maakt namelijk nogal uit. Laten we even aannemen dat een M&M een kubus is. Een totaal onrealistische aanname, maar een beetje wiskundige laat zich daardoor niet uit het veld slaan. Bovendien maakt deze versimpeling het rekenwerk makkelijker, waardoor het onderliggende principe duidelijk wordt.

Als we beginnen met een kubus met ribben van één centimeter, dan is de inhoud van die kubus één kubieke centimeter. De oppervlakte is zes vierkante centimeter (want er zijn zes zijvlakken). Als we nu deze kubus ‘3x zo groot maken’ door elk van de ribben op te rekken naar drie centimeter, dan krijgen we een kubus met een volume van zeventwintig kubieke centimeter en een oppervlakte van vierenvijftig vierkante centimeter (zes maal negen).

Korte samenvatting voor wie de draad inmiddels helemaal kwijt is: als je een kubus vergroot door elke ribbe drie keer zo lang te maken, dan wordt het volume zeventwintig keer zo groot en de oppervlakte negen keer zo groot. Dus als je dingen vergroot, neemt het volume sneller toe dan de oppervlakte, zoals Galileo Galilei in 1638 al opmerkte.

Terug naar de chocolade. Ik haalde twee zakken M&M’s: de mega en gewone. De mega zijn overigens alleen verkrijgbaar zonder pinda, wat goed uitkomt, want ik houd niet van pinda’s. Ik legde meetlint, weegschaal en maatbekers klaar om ze eens grondig te analyseren. De diameter van de normale versie is pakweg dertien millimeter. De megaversie ziet eruit als een kleine ufo en heeft een diameter van ongeveer twintig millimeter. Dat is dus niet drie keer zo groot, maar ongeveer anderhalf.

Dan het gewicht: de normale wegen iets minder dan één gram. De mega zijn per stuk zo’n 3,2 gram. Dat is dus méér dan drie keer zo groot. Tenslotte moest ik het volume bepalen. Dat kan heel moeizaam door de hoogte te meten en een formule voor het volume van afgeplatte chocoladebollen te bepalen. Gelukkig had ik die maatbekers al klaargezet. Laagje water erin, chocolaatjes erbij en je kunt superhandig aflezen hoeveel het volume stijgt, zoals Archimedes zo’n 2.200 jaar geleden al opmerkte.

De mega’s hebben een volume van zo’n 2,5 milliliter (oftewel 2,5 kubieke centimeter). Bij de normale blijken er drie in 2,5 milliliter te gaan. De ‘3x zo groot’ van de reclame gaat blijkbaar over het volume.

Hoe kan het dan dat ze iets meer dan drie keer keer zo zwaar zijn? Waarschijnlijk komt daar dat verschijnsel van Galileo om de hoek. De mega’s hebben in verhouding minder oppervlakte en dat is waar het gekleurde suikerlaagje zit. Zou dat laagje misschien een lagere dichtheid hebben dan chocolade? Dit alles vraagt om nog meer onderzoek.

Een ander idee voor een vervolgstudie: normaal staat mega voor een factor miljoen (denk aan megawatt, dat is een miljoen watt). Dus ik hoop dat er binnenkort echte mega-M&M’s van duizend kilo komen. Ik offer me wel om op eraan te rekenen.

Deze column verscheen eerder in de Volkskrant

Twee weken terug schreef ik hier over M&M’s. Sommige lezers mopperden dat de onderwerpen in deze rubriek wel erg frivool waren en dat zij liever iets lazen over moeilijke wiskundige problemen. Speciaal voor hen deze week een technisch stukje over een klassiek vraagstuk (mét een heuse voetnoot). En goed nieuws voor de rest: het gaat aan het einde ook weer over M&M’s.

Het klassieke vraagstuk gaat over bolstapelingen. In 1587 staarde ontdekkingsreiziger Walter Raleigh naar een piramidevormige stapel kanonskogels (je moet toch iets als je wekenlang op een schip naar Amerika zit). Raleigh vroeg zich af hoe je snel kon berekenen hoeveel kogels er in de totale stapel lagen. Zijn wiskundige assistent Thomas Harriot gaf hem de formule daarvoor. [1]

Zoals het zo vaak gaat met wiskundigen, begon Harriot zich heel andere dingen af te vragen over de stapel kanonskogels. Hoe groot waren de gaten tussen de kogels? En kon je de bollen misschien efficiënter opstapelen? Harriot speelde zijn ideeën door naar de Duitse wiskundige Johannes Kepler die in 1611 het vermoeden formuleerde dat het niet beter kon dan de gebruikelijke manier van stapelen. Elke andere schikking van even grote bollen zou gemiddeld meer ruimte ongebruikt laten.

Deze gebruikelijke stapeling heeft een ingewikkelde naam, maar je ziet hem regelmatig bij de sinaasappels op de markt. De sinaasappels liggen in een zeshoekige regelmaat en de volgende laag komt steeds in de kuiltjes van die eronder. Deze manier van stapelen vult iets meer dan 74% van de ruimte en Kepler dacht dus dat het niet efficiënter kon. Als je bollen bijvoorbeeld willekeurig in een vat gooit en een beetje schudt, gebruiken ze slechts pakweg 64% van de ruimte.

Nu volgt een flinke sprong in de tijd: in 1998 kwam er eindelijk iemand met een bewijs voor het vermoeden van Kepler. En wat voor bewijs. Thomas Hales gebruikte een computerprogramma dat losse gevallen controleert en zijn bewijs was zo gigantisch dat het controleren onmogelijk bleek. Na vier jaar zwoegen, concludeerde een team van wiskundigen dat zijn werk voor 99% zeker klopte en met die kanttekening is het gepubliceerd.

En dan komen nu weer die M&M’s. Terwijl wiskundigen ploeterden op dat bewijs van het vermoeden van Kepler, kreeg natuurkundige Paul Chaikin van zijn studenten een olievat vol M&M’s. Hij praatte namelijk nogal vaak over hoe lekker hij die snoepjes vond. De natuurkundige was verbaasd over hoeveel M&M’s er in dat vat zaten. Uiteindelijk liet hij een student metingen doen en tot hun verbazing bleken de snoepjes 68% van de ruimte te bezetten: meer dan de 64% die bollen in een vergelijkbare situatie zouden innemen. Chaikin en zijn collega’s gingen een stap verder en ontwierpen afgeplatte bollen die zelfs 74% van de ruime innemen als je ze lukraak in een vat strooit. Dat is dus net zo efficiënt als die keurig gestapelde bollen van Kepler: een wiskundige doorbraak die daarnaast leidde tot nieuwe inzichten in de materiaalkunde. De resultaten verschenen in 2004 in wetenschappelijk toptijdschrift Science.

De belangrijkste conclusie hieruit is dat een stapel kanonskogels of een olievat vol M&M’s kunnen leiden tot nieuwe inzichten en dat geen onderwerp te frivool is om goed over na te denken.

[1.] In een piramidevormige stapel met als basis een gelijkzijdige driehoek met zijde n liggen natuurlijk n x (n + 1) x (n + 2)/6 kogels.

Deze column verscheen eerder in de Volkskrant