Luchtdruk bepaalt kracht 'jet' na inslag vast object
Laat een kogel op een bed van zeer los gepakt zand vallen, en hij verdwijnt er helemaal in. Kort daarna zal een krachtige straal zand vanuit het bed omhoog schieten. Hoe hoog die zandstraal wordt, blijkt afhankelijk te zijn van de luchtdruk boven het zandbed. Dat laten experimenten van onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Twente zien. Zij publiceren erover in de Physical Review Letters van 6 juli 2007. Dit onderzoek laat zien dat bij het ontwerpen van ruimtevoertuigen en robots die op zandige planeten zoals Mars moeten landen of lopen, men de heersende druk zeker als overweging mee zal moeten nemen.
Een stalen kogel die op een bed van zeer los gepakte kleine zandkorrels valt, veroorzaakt een krachtige naar boven spuitende straal van zand. Dat ontdekte in 2004 een groep onderzoekers van de Universiteit Twente en de Stichting FOM onder leiding van Detlef Lohse. De kogel trekt in zijn kielzog een holte die gevuld wordt met lucht afkomstig uit de ruimtes tussen de zandkorrels in de omgeving van de kogel. De korrels zijn zeer los gepakt en daardoor zit er relatief veel lucht tussen. De hydrostatische druk in het zand perst de holte in elkaar. Dat gebeurt met zo'n kracht dat een straal van zandkorrels omhoog spuit. Wanneer je de luchtdruk boven het zandbed verlaagt, dan wordt de straal minder heftig, zo bleek een jaar later uit experimenten van John Royer en collega's in de Verenigde Staten. Lohse en zijn medewerkers Gabriel Caballero (FOM), Raymond Bergmann (FOM), Devaraj van der Meer (UT) en Andrea Prosperetti (UT, Johns Hopkins) verdiepten zich hier verder in. Ze constateren dat de luchtdruk boven het zandbed van invloed is op de snelheid waarmee de kogel zich door het zand voortbeweegt. Hoe hoger de luchtdruk, hoe dieper de kogel kan komen en hoe groter als gevolg daarvan de hydrostatische druk die de holte achter de kogel dicht perst. De bewegende kogel produceert een luchtstroom en die blijkt de toch al losse pakking van de zandkorrels verder te verzwakken. Hij maakt als het ware ter plekke een beetje drijfzand waardoor hij gemakkelijker verder het zand kan indringen, zo blijkt uit waarnemingen tijdens experimenten in Twente. Bij een hogere luchtdruk boven het zandbed wordt dit effect sterker. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Physical Review Letters van 6 juli 2007.
De Twentse waarnemingen laten zien waarom je op Mars heel veilig ruimterobots kunt laten landen. De luchtdruk is er is maar ongeveer 1% van die op aarde en ook in stoffige gebieden zal een lander dus niet snel wegzakken. Dat het rijden door duinen op Mars desondanks toch een hachelijke zaak kan zijn, bleek in 2005. Toen zat de rijdende Marsrobot Opportunity bijna anderhalve maand vast in een zandduintje.
Meer informatie bij dr. Devaraj van der Meer, telefoon (053) 489 23 87 of prof.dr. Detlef Lohse, telefoon (053) 489 80 76.
Referentie:
The role of air in granular jet formation, Gabriel Caballero, Raymond Bergmann, Devaraj van der Meer, Andrea Prosperetti en Detlef Lohse, Physical Review Letters, vol. 99, 6 juli 2007.
Zie ook Plotseling verdwijnen in droog drijfzand en 'Jets' en erupties van vaste deeltjes bepalen vorm van kraters.