Storm in een glas water

Voorwerp dat in water valt veroorzaakt supersone luchtstroom

Hoewel natuurkunde tegenwoordig vooral over hele kleine dingetjes en hele grote apparaten lijkt te gaan, biedt ook het alledaagse nog volop uitdagingen. Neem nou de simpele situatie waarin een steen in een plas stilstaand water valt. Met een supersnelle camera en een rookmachine brachten wetenschappers aan het licht dat zo’n plons gepaard gaat met het doorbreken van de geluidsbarrière.

door

Hoe zouden Stephan Gekle en zijn mede-onderzoekers van Universiteit Twente en de Universiteit van Sevilla op het idee gekomen zijn? Misschien gooiden ze steentjes in het water tijdens de lunchpauze, en vroegen ze zich af hoe die mooie spetterpatronen ontstaan? We kennen allemaal wel de foto’s van de prachtige opspattende waterkroon die ontstaat als je iets in stilstaand water laat vallen. Het onderzoek dat Gekle en zijn collega’s deze maand in Physical Review Letters publiceren gaat verder waar die foto ophoudt: ze nemen een kijkje onder het wateroppervlak. Wat ze daar vinden toont aan dat zelfs huis-, tuin- en keukenfysica vol zit met spectaculaire fenomenen.

Water
Wikimedia commons

Om hun onderzoek netjes uit te voeren maakten de onderzoekers de situatie zo ideaal mogelijk. In plaats van een vallend voorwerp gebruikten ze een dunne schijf aan een zuiger, die naar beneden werd getrokken door een bak met water. Ze filmden de plons die daardoor veroorzaakt wordt met een camera die 30.000 foto’s per seconde kan maken. Om bovendien de luchtstromen zichtbaar te maken gebruikten ze een rookmachine. Zo is op hun foto’s goed het verschil te zien tussen lucht en vacuüm.

Supersnelle stroom

De onderzoekers trokken de zuiger met constante snelheid door het water omlaag en constateerden dat er in korte tijd een bijzonder proces plaatsvond. In het begin trekt de zuiger een holte in het water, en om die holte heen spat de bekende kroon van druppels op. Naarmate de holte groter wordt, wordt de wand ervan minder stabiel. De holte klapt in het midden ineen, waarbij de lucht die zich onderin de holte bevindt in een heel smalle en supersnelle stroom omhoog spoedt. Die snelheid ligt hoger dan de snelheid van het geluid, en wordt dus supersoon genoemd.

Figuur_1._supersone_luchtjet

Op deze afbeeldingen is rook uit een rookmachine oranje gekleurd. Zo is het contrast te zien met de zwarte gebieden in de bel, waarin er een vacuüm heerst. Stichting FOM

Straalmotor

Naast het experiment met de supersnelle camera en de rookmachine voerden de onderzoekers ook een computersimulatie uit, waarin ze dezelfde resultaten vonden. Het omhoog schieten van de lucht uit de onderkant van de bubbel lijkt erg op de werking van een straalmotor, waarin gassen onder heel hoge druk door een piepkleine opening worden geduwd. Het grootste verschil tussen de twee situaties is dat er bij het object dat inslaat op water geen groot drukverschil ontstaat. De druk in de holte wordt maar 2% groter dan atmosferische druk.

Het elegante onderzoek van Gekle en collega’s werd door het toonaangevende natuurkundetijdschrift Physical Review Letters aangewezen als ‘redactietip’.

Zie verder: