Hoeveel lucht vangen vallende druppels?
Wanneer een vallende druppel een oppervlak raakt, wordt vaak een luchtbelletje ingesloten. Dit fenomeen is meestal onwenselijk, bijvoorbeeld bij inkjetprinten. Onderzoekers van Stichting FOM en de Universiteit Twente toonden aan dat het volume van zo'n luchtbel een maximum heeft dat afhangt van onder meer de druppelgrootte en de botsingssnelheid. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in de laatste 2012-editie van het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
Een druppel die valt, duwt op de lucht onder zich, waardoor de druk onder een vallende druppel hoger is. Er vormt zich een kuiltje aan de onderzijde van de druppel. "Op het moment dat zo’n druppel een oppervlak raakt, wordt dat kuiltje een luchtbel die tussen de druppel en het oppervlak gevangen zit. Het drukprofiel vervormt de druppel dus al voordat deze in aanraking komt met het oppervlak," vertelt Wilco Bouwhuis, promovendus bij FOM-werkgroepleider prof.dr. Detlef Lohse van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente.
Twee mechanismen
De hoeveelheid lucht die daadwerkelijk wordt ingevangen, is te beïnvloeden. "Voor grote druppels en grote botsingssnelheden, zorgt de traagheid van de vloeistof ervoor dat de vervorming wordt afgevlakt. Dus hoe sneller een grote druppel op het oppervlak botst, des te minder lucht er wordt in gesloten. Dit is een welbekend wetenschappelijk principe," aldus Bouwhuis. "Voor kleine druppels met lage botsingssnelheden, blijkt de oppervlaktespanning van het vloeistof-lucht-oppervlak voor een soortgelijk effect te zorgen: hoe langzamer de druppel valt, hoe minder lucht er wordt ingesloten."
De groep van Lohse wilde weten wat er gebeurt tussen die twee regimes in. Ze onderzochten bij welke impactsnelheid het volume aan ingesloten lucht het grootst was voor verschillende vloeistoffen en druppeldiameters. Dat deden ze zowel experimenteel en analytisch als met behulp van computersimulaties.
Inkjet
"De experimenten en de simulaties die we met ethanoldruppels hebben gedaan, komen geweldig goed overeen met de theorie," vertelt Bouwhuis. "We kunnen de theorie ook gebruiken om het maximale luchtbelvolume in andere druppels te bepalen." De onderzoekers werkten de theorie uit voor inkjetdruppels. Inktjetprinten is een technologie waarbij ingesloten lucht onwenselijk is. Ze vonden een opmerkelijk resultaat. FOM-werkgroepleider Lohse: "Voor inkjetdruppels met een straal van ongeveer 10 micrometer, geeft de theorie aan dat de ingesloten luchtbel het grootst is bij een valsnelheid van 1 meter per seconde. Dat is toevallig precies het regime waarin inkjetprinters opereren! Ook voor allerlei andere toepassingen zouden onze resultaten kunnen helpen om luchtbelinsluiting te minimaliseren of te voorkomen."
Voor de Redactie
Contactinformatie
Detlef Lohse
(053) 489 80 76
Wilco Bouwhuis
(053) 489 30 84
Referentie
'Maximal air bubble entrainment at liquid drop impact'. Wilco Bouwhuis, Roeland C.A. van der Veen, T. Tran, Diederik L. Keij, Koen G. Winkels, Ivo R. Peters, Devaraj van der Meer, Chao Sun, Jacco H. Snoeijer, Detlef Lohse. Physical Review Letters, Volume 109, issue 26
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i26/e264501
ArXiv: 1205.4761 [physics.flu-dyn] (2012)