Afgesnoerde gasbellen in water vertonen afwijkend gedrag
Het grensvlak van bewegend water en lucht snoert vaak in tot één punt. Een voorbeeld hiervan is het in druppels uiteenvallen van het waterstroompje uit een lekkende kraan. Ook bij het breken van een golf in de branding gebeurt iets vergelijkbaars. Natuurkundigen gaan er vanuit dat de vorm rond het breekpunt van de druppel steeds gelijkvormig is; dat wil zeggen dat de vorm van de insnoering onafhankelijk is van de afmeting en van het tijdstip waarop het verschijnsel bekeken wordt. Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Twente hebben nu ontdekt 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. Die komen in de natuur en de industrie op grote schaal voor. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in de online-editie van Physical Review Letters van 21 april 2006.
De onderzoekers* in Twente maken 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, als gevolg van 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 af van de tijd, 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 waargenomen afwijking van de 'self-similarity' is fundamenteel interessant omdat hij een universeel geacht gedrag weerspreekt. Ook meer praktisch is de waarneming van belang, omdat gasbellen die door insnoering ontstaan op allerlei plaatsen voorkomen. Een voorbeeld zijn 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.
*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)
Meer informatie bij Raymond Bergmann, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 30 84 of prof.dr. Detlef Lohse, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 80 76.