Afgesnoerde gasbellen in water vertonen afwijkend gedrag
In het nieuwste nummer van Physical Review Letters laten onderzoekers
van de UT en de Stichting FOM zien dat afgesnoerde gasbellen in water
zich anders gedragen dan natuurkundigen tot nu toe veronderstelden. De
beschreven bellen komen in de natuur en in de industrie op grote
schaal voor.
Het grensvlak van bewegend water en lucht snoert vaak in tot één punt.
Een voorbeeld hiervan is het waterstroompje uit een lekkende kraan dat
in druppels uiteenvalt. Ook bij het breken van een golf in de branding
gebeurt iets vergelijkbaars. Natuurkundigen gingen er tot nu toe
vanuit dat de vorm rond het breekpunt van de druppel steeds
gelijkvormig is (wat wil zeggen dat de vorm van de insnoering
onafhankelijk is van de afmeting en het tijdstip waarop het
verschijnsel bekeken wordt).
De UT- en FOM-onderzoekers ontdekten dat deze gelijkvormigheid niet
optreedt bij ingesnoerde luchtbellen in water. Het verschijnsel is dus
niet universeel en dit kan consequenties hebben voor de beschrijving
van insnoeringsverschijnselen in gas-vloeistofmengsels. De
onderzoekers publiceerden hun bevindingen in de Physical Review
Letters van 22 april 2006.
Het onderzoeksteam in Twente, bestaande uit Raymond Bergmann (FOM),
Devaraj van der Meer (UT), Mark Stijnman (FOM), Marijn Sandtke (FOM),
Andrea Prosperetti (UT en Johns Hopkins University) en Detlef Lohse
(UT), maakt luchtbellen in water door een schijf, bevestigd aan een
staaf, heel snel onder water te trekken. Met een hoge-snelheidscamera
leggen ze vast wat er gebeurt. Op de opnamen is te zien dat de schijf
aanvankelijk een 'holte' in het wateroppervlak trekt. Die holte klapt
in het midden heel snel dicht, door de hydrostatische druk vanaf de
zijkant. Onderin ontstaat daardoor een luchtbel die wordt afgesneden
van de lucht dicht bij het oppervlak. Het moment dat door de
hydrostatische druk onder water de luchtbel afgesnoerd wordt, is de
bekende insnoering tot één punt.
Op de opnames van de hoge-snelheidscamera is te zien dat de vorm rond
de insnoering altijd van twee lengteschalen afhangt: de straal van de
smalle waterkolom waar de insnoering plaats heeft en de kromming van
die kolom in verticale richting. Deze straal en kromming van de kolom
hangen op een verschillende manier van de tijd af, en bovendien blijkt
dit ook nog eens afhankelijk van de snelheid waarmee de schijf aan het
begin van het experiment onder water wordt getrokken.
Hun gedrag wijkt daarmee af van wat tot dusverre als algemeen geldend
werd aangenomen, namelijk gelijkvormigheid of 'self-similarity' van
ingesnoerde druppels. Dit waargenomen gedrag blijken de onderzoekers
in simulaties keurig te kunnen reproduceren.
Ook na de insnoering gedraagt het systeem zich bijzonder: door de
kracht waarmee de wanden van de holte in het insnoerpunt tegen elkaar
gedrukt worden, bouwt zich een enorme druk op die de vloeistof langs
de as van de holte omhoog en omlaag perst. Er ontstaat zo razendsnel
een waterstraal die meters hoog kan worden.
De waarneming is fundamenteel-wetenschappelijk interessant omdat hij
een universeel geacht gedrag weerspreekt. Maar ook praktisch is de
waarneming van belang, omdat gasbellen die door insnoering ontstaan op
allerlei plaatsen voorkomen. Een voorbeeld is gasbellen in chemische
reactoren. Een ander voorbeeld is het evenwicht van zuurstof tussen de
wereldzeeën en de atmosfeer, aangezien de uitwisseling in hoofdzaak
gebeurt door de ingesnoerde bellen die ontstaan bij het breken van
golven of inslaan van regen op het
zeeoppervlak. De ontdekking van de onderzoekers zal leiden tot een
betrouwbaarder beschrijving van dit soort processen.
Bijschrift:
De vorming van een langgerekte druppel lucht in water. De tijden zijn
gegeven ten opzichte van het moment dat de druppel door insnoering
ontstaat. De witte lijn geeft het resultaat van simulaties.
Noot voor de pers:
Meer informatie bij Raymond Bergmann, Universiteit Twente, e-mail
r.p.h.m.bergmann@utwente.nl, telefoon 053 - 4893084 of prof.dr. Detlef
Lohse, Universiteit Twente, e-mail d.lohse@utwente.nl, telefoon 053 -
4898076.
Top
Laatst gewijzigd op 24-04-2006 15:08:09 door Webmaster
Universiteit Twente