Hoe de inslag van een steen op water een supersone luchtstroming veroorzaakt
12 januari 2010
Op het eerste gezicht is het laten vallen van een steen in een vijver een zeer alledaags verschijnsel. Maar schijn bedriegt! Onderzoekers van de Universiteit Twente, de Spaanse Universidad de Sevilla en de Stichting FOM hebben recentelijk aangetoond dat dit proces gepaard gaat met de vorming van een supersone luchtjet. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 11 januari in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters, waar het bovendien is geselecteerd als ‘editors’ suggestion’.
Als een steen in stilstaand water valt ontvouwt zich een
wonderbaarlijk schouwspel, dat begint met een kroon van opspattend
water en de vorming van een holte onder het vloeistofoppervlak.
Deze holte stort vervolgens ineen en creëert daarbij een dunne,
zeer snelle vloeistofstraal, de zogeheten jet. Wat voor het
ongewapende oog van de toeschouwer verborgen blijft is de
bewegingsrijkdom van de lucht die in de holte is ingesloten en die
uiteindelijk met snelheden groter dan die van het geluid uit de
holte geperst wordt.
Door experimenten waarin de luchtstroming in de holte
gevisualiseerd wordt te combineren met computersimulaties, tonen de
onderzoekers aan dat het mechanisme dat tot deze uiterst snelle
luchtstroom leidt grote overeenkomst vertoont met een straalmotor
van een vliegtuig. Ook hier worden gassen door een kleine opening
geperst wat tot supersone stroming leidt. Het grote verschil is
echter dat waar de uitlaat van een straalmotor star en
onveranderlijk is, er bij waterinslag een vloeibare vernauwing
optreedt, die gedurende het proces snel kleiner wordt.
Om het inslagproces op een zeer gecontroleerde manier te kunnen
bestuderen gebruiken de onderzoekers een cirkelvormige schijf die
met behulp van een lineaire motor door het vloeistofoppervlak heen
getrokken wordt. Met rookeffecten uit rookmachines, vergelijkbaar
met de effecten in theaters en discotheken, maken zij de
luchtstroming zichtbaar. De beweging van de rookdeeltjes wordt door
middel van een krachtige laser verlicht en opgenomen met een hoge
snelheidscamera, die tot 30.000 afbeeldingen per seconde
produceert.
De inslag van een cirkelvormige schijf op een wateroppervlak
(a) creëert een holte in de vloeistof (b) die ineenstort (c)
waarbij een uiterst snelle stroom lucht door de vernauwing in de
holte geperst wordt (d). Het toevoegen van rookdeeltjes (die in de
figuur oranje gekleurd zijn) maakt het mogelijk om de stroming in
de lucht zichtbaar te maken.
Informatie:
Wilt u meer informatie over dit onderzoek? Neem dan contact op met
Stephan Gekle of Devaraj van der Meer,
telefoon 053 489 23 87.
