WW: Supersonische waterjets verklaard

De woensdagmiddag is op GeenCommentaar Wondere Woensdagmiddag. Met extra aandacht voor de nieuwste ontwikkelingen in Wetenschap- en Techniekland.

Wetenschap is misschien wel het leukst als ze ingewikkelde vragen probeert te stellen en te beantwoorden over heel gewone, alledaagse verschijnselen. Een zeer goed voorbeeld: Wat gebeurt er precies als je een steentje in het water gooit? Deze minimale, bijna poetische handeling heeft bijna iedereen in de wereld minstens één keer uitgevoerd, maar meestal zonder er zo precies naar te kijken als dit team van Nederlandse en Spaanse onderzoekers. Met behulp van een highspeed-camera onderzochten ze wat er nou exact gebeurt als een klein voorwerp een wateroppervlak met een verticale snelheid raakt.

Het team van de Universiteit Twente en de Universiteit van Sevilla is geenzins de eerste die geinteresseerd zijn in deze vraag. En ook de methode is niet nieuw. Al in de jaren 70 van de negentiende eeuw maakte onderzoeker A.M. Worthington schetsen van de impact van een druppel kwik. In 1894 publiceerde hij ze in zijn boek ‘The Splash of a Drop‘. Een mooie recente animatie van een aantal van zijn tekeningen is nu online te bewonderen.

Dat het onderzoek sinds die tijd niet stilstond wordt ook bevestigd in het artikel (.pdf) van de onderzoekers van het Nederlands-Spaanse team. Gedurende de hele twintigste eeuw blijven onderzoekers zeer geïntrigeerd door de impact van de (water)druppel. Maar dankzij de nieuwste extreem hoge snelheid van de camera’s (tot 30.000 beelden per seconde) en het gebruik van rookdeeltjes kwam het Nederlands-Spaanse team tot wezenlijk nieuwe inzichten, wat leidde tot een publicatie in het prestigieuze Physical Review Letters.

Om duidelijkere resultaten te verwerven simuleerden de onderzoekers de druppels door een klein schijfje met een vaste snelheid naar beneden te trekken door het wateroppervlak heen. Analyse van de hogesnelheidsbeelden liet zien dat er aanvankelijk een rechte luchtkolom achterbleef, die vervolgens razendsnel instort. Doordat de wanden van deze holte tegen elkaar klappen ontstaat de bekende ‘jet’ die omhoogspuit. Tot zover niets nieuws. Maar wat de onderzoekers ook registreerden was dat de lucht die aanvankelijk in de kolom aanwezig is met supersonische snelheid naar buiten wordt geperst. Dit is opmerkelijk omdat er nauwelijks sprake is van drukverschil. De hoge snelheid wordt veroorzaakt door de zeer onstabiele verplaatsing van de gassen die het gevolg zijn van de snel veranderende vorm van de instortende luchttrechter. Deze trechter heeft zoals gezegd aanvankelijk de vorm van een rechte kolom maar krijgt halverwege een trechtervorm (.pdf). Dit aerodynamisch effect is volgens de auteurs nog nooit ergens anders geobserveerd.

Als je dus volgende keer tijdens het peinzen bij een meer een steentje in het water gooit, denk er dan aan dat je supersonische waterjets zit te maken.