Stichting FOM
11 januari 2010, 2010/01
Hoe de inslag van een steen op water een supersone luchtstroming veroorzaakt
Op het eerste gezicht is het laten vallen van een steen in een vijver
een zeer alledaags verschijnsel. Maar schijn bedriegt! Onderzoekers
van de Universiteit Twente, de Spaanse Universidad de Sevilla en de
Stichting FOM hebben recentelijk aangetoond dat dit proces gepaard
gaat met de vorming van een supersone luchtjet. De onderzoekers
publiceren hun resultaten op 11 januari in het toonaangevende
tijdschrift Physical Review Letters, waar het bovendien is
geselecteerd als 'editors' suggestion'.
Figuur 1. Supersone luchtjet
vergroten Figuur 1. Supersone luchtjet
De inslag van een cirkelvormige schijf op een wateroppervlak (a)
creëert een holte in de vloeistof (b) die ineenstort (c) waarbij een
uiterst snelle stroom lucht door de vernauwing in de holte geperst
wordt (d). Het toevoegen van rookdeeltjes (die in de figuur oranje
gekleurd zijn) maakt het mogelijk om de stroming in de lucht zichtbaar
te maken.
Als een steen in stilstaand water valt ontvouwt zich een
wonderbaarlijk schouwspel, dat begint met een kroon van opspattend
water en de vorming van een holte onder het vloeistofoppervlak. Deze
holte stort vervolgens ineen en creëert daarbij een dunne, zeer snelle
vloeistofstraal, de zogeheten jet. Wat voor het ongewapende oog van de
toeschouwer verborgen blijft is de bewegingsrijkdom van de lucht die
in de holte is ingesloten en die uiteindelijk met snelheden groter dan
die van het geluid uit de holte geperst wordt.
Door experimenten waarin de luchtstroming in de holte gevisualiseerd
wordt te combineren met computersimulaties, tonen de onderzoekers aan
dat het mechanisme dat tot deze uiterst snelle luchtstroom leidt grote
overeenkomst vertoont met een straalmotor van een vliegtuig. Ook hier
worden gassen door een kleine opening geperst wat tot supersone
stroming leidt. Het grote verschil is echter dat waar de uitlaat van
een straalmotor star en onveranderlijk is, er bij waterinslag een
vloeibare vernauwing optreedt, die gedurende het proces snel kleiner
wordt.
Om het inslagproces op een zeer gecontroleerde manier te kunnen
bestuderen gebruiken de onderzoekers een cirkelvormige schijf die met
behulp van een lineaire motor door het vloeistofoppervlak heen
getrokken wordt. Met rookeffecten uit rookmachines, vergelijkbaar met
de effecten in theaters en discotheken, maken zij de luchtstroming
zichtbaar. De beweging van de rookdeeltjes wordt door middel van een
krachtige laser verlicht en opgenomen met een hoge snelheidscamera,
die tot 30.000 afbeeldingen per seconde produceert.
;;Informatie
Wilt u meer informatie over dit onderzoek? Neem dan contact op met
Stephan Gekle of Devaraj van der Meer, telefoon 053 489 23 87.