Ontstaan van turbulentie eindelijk te ontrafelen?
Een groep natuurkundigen uit Helsinki, Osaka, Leiden, Moskou en Praag heeft een nieuwe ontstaanswijze van turbulente stroming ontdekt. Staat in alle leerboeken dat een stroming in een systeem turbulent wordt als de snelheid en de afmeting van het systeem de viscositeit overtreffen, uit experimenten van de groep blijkt dat in superafgekoeld helium de overgang van gewone naar turbulente stroming door de temperatuur van het systeem bepaald wordt. Omdat het systeem dat de natuurkundigen gebruikten, superfluïde helium-3 van minder dan 0,0022 graden boven het absolute nulpunt, experimenteel heel nauwkeurig te onderzoeken is, denken de onderzoekers dat ze een mogelijkheid hebben gevonden om het ontstaan van turbulentie te ontrafelen. Een afdoende theorie voor het begin van turbulentie is er namelijk niet. De onderzoekers publiceerden de resultaten van hun experimenten in de Nature van 28 augustus.
Draai de kraan in de badkamer een beetje open en er komt een mooi gelijkmatig stromend straaltje water uit. De zogeheten kinematische viscositeit van het water dempt alle verstoringen die in de waterstraal ontstaan, meteen weer uit. Draai de kraan verder open en de waterstroom wordt zeer onrustig. De verstoringen kunnen nu niet meer uitgedempt worden en de waterstraal is turbulent geworden. Turbulent gedrag is alom aanwezig in de natuur, van onze bloedbaan tot melkwegstelsels en van het kopje thee waar we in roeren tot de dampkring boven ons hoofd. Het stromingsgedrag van gassen en vloeistoffen wordt onder andere gekarakteriseerd door het zogeheten Reynoldsgetal. Dit dimensieloze getal bevat de stromingssnelheid in de teller en de kinematische viscositeit in de noemer. Overheerst de viscositeit, dan is het getal klein en de stroming laminair. Neemt de snelheid tot boven een bepaalde waarde toe, dan kan de viscositeit ontstane verstoringen niet meer onderdrukken en wordt de stroming turbulent. Het Reynoldsgetal is dan groot. De overgang van laminair naar turbulent wordt dus door de stroomsnelheid bepaald (overigens in samenhang met de afmeting van het systeem). Een theorie die turbulentie tot in detail goed verklaart is er nog steeds niet. Daarom zoeken natuurkundigen naar systemen waarin ze turbulentie en vooral het ontstaan daarvan onder goed te controleren omstandigheden kunnen bestuderen.
Eén zo'n systeem is superfluïd helium-3. Ook daarin kan turbulentie ontstaan, maar die blijkt in dit geval afhankelijk van de temperatuur. De overgang van laminair naar turbulent ligt hier gelukkig genoeg precies in een temperatuursgebied dat experimenteel goed bereikbaar is. Wanneer helium wordt afgekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt - en tot beneden een bepaalde kritische waarde, gaat het zich als een wrijvingsloze vloeistof gedragen; het wordt superfluïde. In werkelijkheid bestaat dergelijk helium uit kleine hoeveelheden normaal bewegende vloeistof in een verder wrijvingsloos bewegende vloeistof. De fractie normale vloeistof is gekoppeld aan de temperatuur van het helium, de rest gedraagt zich als een quantumsysteem. De enige manier voor een supervloeistof om in rotatie te komen is door het vormen van mini-draaikolkjes. Deze werveltjes, ook wel vortices genoemd, dragen een vaste hoeveelheid vloeistofcirculatie (ze zijn gequantiseerd) en zijn welbepaald. Hoe sneller een vat met supervloeistof ronddraait, hoe meer wervels aanwezig zullen willen zijn. Het gedrag van die vortices in superfluïde helium-3 laat zich goed bestuderen, bijvoorbeeld met magnetische kernspinresonantie.
Dat laatste heeft een internationale groep van natuurkundigen, onder wie FOM-postdoc dr. Rob Blaauwgeers, verbonden aan het Kamerlingh Onnes Laboratorium van de Universiteit Leiden, nu gedaan. Ze hadden het helium-3 onder een druk van 29 bar afgekoeld tot beneden de kritische waarde van 0,0022 kelvin waar het bij die druk superfluïde wordt. Het superfluïde helium zat in een vat dat ze lieten ronddraaien. Het echte superfluïde deel van de vloeistof merkt daar niets van; dat is één van de eigenschappen van superfluïditeit. Dat betekent dat er dus geen factor in het spel is die gekoppeld is aan snelheid van de vloeistof. Vervolgens lieten de onderzoekers gecontroleerd vortices ontstaan aan het uiteinde van de experimentele cel. Omdat bij hogere rotatiesnelheid de vortices steeds identiek zijn aan die bij lage snelheid, is er geen factor in het spel die gekoppeld is aan de snelheid van de vloeistof. De stabilisatie van de vortices in het roterende vat is gekoppeld aan de temperatuur en zo konden ze kijken of de vortices zich anders gingen gedragen bij verschillende temperaturen. Bij 20% onder de kritische temperatuur wordt elke net gevormde wervel in korte tijd mooi uitgerekt langs de lange as van het ronddraaiende vat. Kennelijk, zo stellen de onderzoekers, is er dan nog zoveel normale vloeistof aanwezig dat deze een dempende werking heeft op de de vortices. De vloeistof als geheel blijft er mooi rustig uitzien. Gaat de temperatuur naar 40% van de kritische waarde, dan vermindert de demping en rekken de vortices niet netjes uit. Ze worden 'kronkelig' en snijden zichzelf doormidden, waardoor ze zich vermenigvuldigen. De vloeistof gedraagt zich nu turbulent. Simulaties die de onderzoekers deden reproduceerden dit gedrag heel mooi. Een grote verrassing was echter dat de overgang van gelijkmatig naar chaotisch gedrag in de vloeistof heel scherp verloopt, in een temperatuursverloop van maar 5% van de kritische waarde. Het ontstaan van turbulentie wordt hier dus niet veroorzaakt door een vergroting van de stroomsnelheid, maar door de onderlinge wrijving tussen de normale vloeistof en de wervels in het superfluïde deel van de vloeistof. Omdat het temperatuursbereik waarin zich dit allemaal afspeelt binnen de experimentele mogelijkheden valt, verwachten de onderzoekers dat de preciese overgang tussen gelijkmatig en chaotisch gedrag in detail kan worden onderzocht. Ze hopen dat dit het ontstaan van superfluïde turbulentie voor het eerst echt duidelijk zal kunnen maken.
Meer informatie bij dr. Rob Blaauwgeers, Kamerling Onnes Laboratorium, Universiteit Leiden, telefoon (071) 527 54 63.