Kralen die op de golven dansen, vormen verrassende groepen

Drijvende voorwerpen zijn overal te vinden: van de belletjes in onze frisdrank tot aan de planten op het zeeoppervlak. We begrijpen de manier waarop voorwerpen drijven gedeeltelijk – de wet van Archimedes verklaart de opwaartse kracht op een voorwerp. Dit principe biedt echt geen verklaring voor horizontale verplaatsingen, en kan ons dus niet vertellen waarom de belletjes in een drankje naar de wand van een glas drijven, of hoe zeeplanten over de golven deinen.

Voormalig FOM-promovendus dr. Ceyda Sanlı onderzocht dergelijke drijfbewegingen onder begeleiding van prof.dr. Detlef Lohse en prof.dr. Devaraj van der Meer van de Universiteit Twente. Sanlı gebruikte voor haar onderzoek plastic kralen die op water drijven. In haar experiment vormde het wateroppervlak een staande golf: een stabiel golfpatroon met plekken waar het water stilstaat (knopen) en plaatsen waar het water piekt (buiken). Sanlı verhoogde het aantal kralen op het wateroppervlak geleidelijk. Ze ontdekte dat wanneer een klein aantal kralen aanwezig is op het oppervlak, deze kralen naar de buiken drijven. Verrassend genoeg verandert dat gedrag wanneer het aantal kralen een bepaalde hoeveelheid overschrijdt: een groot aantal kralen drijft juist naar de knopen. 
 
Ademen
Dit vreemde gedrag is te wijten aan een fenomeen dat bekend staat als 'ademen'. Door de periodieke golfbeweging in het water bewegen de kralen in de buiken naar elkaar toe en van elkaar af, alsof ze ademen. Door deze beweging ontstaat er ruimte tussen de kralen, waardoor hun potentiële energie toeneemt. Bij een klein aantal kralen is de verplaatsing door het 'ademen' klein, waardoor de potentiële energie maar weinig toeneemt. Zijn er daarentegen veel kralen aanwezig, dan veroorzaakt de adembeweging een significante stijging in de potentiële energie. In dat geval is het voor de kralen energetisch voordelig om naar de knopen te bewegen. In de knopen 'ademen' de kralen niet, maar zijn ze dicht opeengepakt en schommelen ze zachtjes heen en weer, als een baby in een wieg. De potentiële energie is in dat geval laag.

Sanlı zag dat de kralen zichzelf inderdaad spontaan verplaatsen om de laagste energie te realiseren. Met dit inzicht konden de onderzoekers de groepering rond knopen en buiken verklaren, en zelfs voorspellen bij welk aantal kralen het patroon omdraait.

Het succesvol verklaren van het drijfgedrag van de kralen in termen van energie en 'ademen' is een doorbraak. Volgens Sanlı is deze methode ook te gebruiken bij het bestuderen van andere zelf-organiserende systemen, van biologische systemen (zoals hersennetwerken) tot zwermen (zoals vogelzwermen en mensenmassa's).

De zee schoonmaken
De resultaten kunnen ook helpen om onzuiverheden uit een oppervlak van gesmolten metaal te halen, of om plastic verontreinigingen uit papierpulp te verwijderen. Een andere mogelijke toepassing is het schoonmaken van het zeeoppervlak. Vervuiling van zeewater is een wereldwijd probleem dat een serieuze bedreiging vormt voor het zeeleven. Wetenschappers pogen effectieve en energiezuinige methoden te ontwikkelen om het zeeoppervlak te reinigen. In dit project hebben de onderzoekers ontdekt dat drijvende deeltjes (zoals ook drijvend afval) zich op een georganiseerde manier verzamelen op oppervlaktegolven. Met deze kennis kunnen golven op het zeeoppervlak worden gemaakt die afvalclusters vormen, wat het opruimen van het afval flink vergemakkelijkt. Het is zelfs mogelijk om verschillende soorten verontreiniging te scheiden, omdat verschillende voorwerpen op een golf in tegengestelde richtingen kunnen drijven.

Contact
Dr. Ceyda Sanlı, Namur Center for Complex Systems, +32 (0)48 930 48 69

Referentie
From antinode clusters to node clusters: The concentration-dependent transition of floaters on a standing Faraday wave , Ceyda Sanlı, Detlef Lohse & Devaraj van der Meer, Physical Review E, Vol.89, No.5. DOI: 10.1103/PhysRevE.89.053011.