Gyles Lewis
0 
4073
181
In de 16e eeuw beschreef Leonardo da Vinci voor het eerst een fascinerend fenomeen met water dat later bekend werd als de hydraulische sprong. En amper vijf eeuwen later hebben wetenschappers eindelijk uitgelegd waarom het gebeurt.
Deze sprong is niet een of andere obscure eigenschap die alleen zichtbaar is voor wetenschappers. Je hoeft echt alleen maar je keuken in te lopen of onder de douche te springen om het te zien.
Als je een kraan openzet, let dan op wat er gebeurt als het water het oppervlak van de gootsteen raakt. Het creëert een zeer dunne, snelstromende, cirkelvormige laag water omgeven door een dikkere, concentrische ring van turbulent water. Een hydraulische sprong verwijst naar het punt waar het water opstijgt en de dikkere laag vormt. [Afbeeldingen: 's werelds mooiste vergelijkingen]
Beginnend in 1819 met de Italiaanse wiskundige Giorgio Bidone, hebben veel onderzoekers geprobeerd uit te leggen waardoor water op deze manier springt. Maar alle verklaringen en vergelijkingen tot nu toe leunen op de zwaartekracht als de belangrijkste kracht, zei hoofdauteur Rajesh K. Bhagat, een promovendus in de afdeling chemische technologie en biotechnologie aan de Universiteit van Cambridge in Engeland..
Bhagat en zijn team ontdekten onlangs echter dat de zwaartekracht nauwelijks iets te maken heeft met deze hydraulische sprongen. De belangrijkste krachten erachter zijn oppervlaktespanning en viscositeit, rapporteerden ze in hun studie, die op 31 juli online werd gepubliceerd in de Journal of Fluid Mechanics.
Om de zwaartekracht uit te sluiten, voerden Bhagat en zijn team een eenvoudig experiment uit. Ze raakten een vlak, horizontaal oppervlak met een waterstraal om een simpele hydraulische sprong te creëren - dezelfde soort die je zou zien als je het water bij de gootsteen aanzet. Maar toen kantelden ze dit oppervlak op verschillende manieren: verticaal, in een hoek van 45 graden en horizontaal - zodat de waterstraal uiteindelijk een oppervlak zou raken dat een plafond werd. Om de eerste sprong vast te leggen, legden ze vast wat er gebeurde met hogesnelheidscamera's.
In alle gevallen gebeurde de hydraulische sprong op hetzelfde punt. Met andere woorden, de dunne, snel bewegende binnenlaag had dezelfde grootte, ongeacht in welke richting het vliegtuig zich bevond. Als de zwaartekracht de sprongen had veroorzaakt, zou het water 'vervormd' zijn geweest in elk van de vlakken behalve de horizontale. , Zei Bhagat. "Dit eenvoudige experiment bewijst dat het allesbehalve zwaartekracht is."
De nieuwe theorie houdt niet op met de zwaartekracht
Om de andere krachten te bestuderen die mogelijk een rol speelden, varieerden de onderzoekers de viscositeit van de waterstroom - een maat voor hoeveel het bestand is tegen stroming - door het te mengen met glycerol, een soort alcohol met een oppervlaktespanning die vergelijkbaar is met die van water, maar dat is 1000 keer stroperiger dan water.
Ze hielden ook de viscositeit constant en verminderden de oppervlaktespanning - de aantrekkingskracht die vloeibare moleculen aan het oppervlak bij elkaar houdt - door een algemeen ingrediënt in wasmiddel genaamd natriumdodecylbenzeensulfonaat (SDBS) te mengen.. Ten slotte varieerden ze zowel de viscositeit als de oppervlaktespanning door water en propanol, een ander soort alcohol, te mengen, zodat de oplossing 25 procent viskeuzer was dan zuiver water maar een oppervlaktespanning had die drie keer zo laag was..
Hierdoor konden de onderzoekers de invloed van elke kracht isoleren, vertelde senior auteur Ian Wilson, een professor in zachte vaste stoffen en oppervlakken, ook aan de Universiteit van Cambridge. .
Het gaat erom "te kunnen voorspellen waar deze overgang tussen een dunne film en een dikke film begint", zei Wilson. Veel van de voorgaande theorieën konden dat niet, omdat de locatie van de hydraulische sprong verandert zodra de dikke laag een soort rand raakt, zoals de rand van de gootsteen..
De sprong vindt plaats op de plek waar de krachten van oppervlaktespanning en viscositeit optellen en het momentum van de vloeistofstraal in evenwicht brengen, vonden de auteurs..
Weten waar deze sprong het eerst plaatsvindt, zou toepassingen in de industrie kunnen hebben, zei Wilson. De dunne laag die zich vormt voor de sprong draagt veel meer kracht dan de dikkere laag, waardoor het dunnere gebied efficiënter warmte kan overbrengen.
Waterstralen met hoge snelheid worden gebruikt in industriële toepassingen, zoals reiniging bij de melkverwerking en het koelen van turbinebladen van vliegtuigen of siliciumhalfgeleiders, zei Bhagat. Vaak zijn in deze toepassingen intermitterende waterstralen efficiënter, zei Wilson. Om de efficiëntie van deze intermitterende jets te verbeteren, moet je kunnen voorspellen waar de eerste hydraulische sprongen plaatsvinden, zei hij.
Oorspronkelijk gepubliceerd op .