Capillaire golven verstoren machtswet • Metaal Magazine Ga naar hoofdinhoud

Capillaire golven verstoren machtswet

Trek een lange gladde cilinder door een wateroppervlak
omlaag en er ontstaat een cilindrische holte in het water, die onmiddellijk door
de hydrostatische druk in het omringende water op één punt wordt ingesnoerd. De
diepte waarop dat gebeurt blijkt zich niet te houden aan de machtswet die op
basis van de hydrodynamica wordt verwacht.

Dat komt, zo hebben onderzoekers met behulp van hoge-snelheidscamera’s en numerieke simulaties aangetoond, door de invloed van capillaire golven die ontstaan op de wand van de holte.
 
Snelle camera
De onderzoekers trekken een gladde cilinder met een lengte van 14,7 centimeter en een diameter van 4,0 centimeter met een constante snelheid door een wateroppervlak omlaag. Met een camera die tot 10.000 beelden per seconde kan registreren volgen de onderzoekers wat er bij de verschillende snelheden gebeurt. De hydrodynamica zegt dat de diepte waarop de cilindrische holte wordt ingesnoerd, schaalt met de snelheid tot de macht 2/3.
 
Analyse van de opgenomen beelden laat zien dat de sluitingsdiepte voor lage snelheden nauwelijks van de snelheid afhangt. En dat is niet het enige dat in tegenspraak is met de theorie: voor iets grotere snelheden wordt de sluitingsdiepte met sprongen tegelijk groter. Pas voor zeer grote snelheden vinden de onderzoekers het op basis van de hydrodynamica verwachte gedrag terug.
 
Capillaire golven
De verklaring blijkt volgens numerieke simulaties, die goed met de waarnemingen overeenkomen, te zitten in capillaire golven. Die ontstaan meteen nadat de cilinder helemaal onder water is getrokken. De hydrostatische druk begint de gevormde holte dicht te drukken, terwijl de oppervlaktespanning van het water de wand van de holte naar de rest van het water toe plat probeert te trekken. Dat leidt tot een soort knik in het wateroppervlak direct boven de cilinder en dat veroorzaakt een schok die capillaire golven opwekt. Die golven bewegen over het oppervlak van de holte omlaag. Deze zijn op de beelden van de snelle camera goed te zien.
 
Ook valt op dat ze verschillende golflengten hebben. De combinatie van hydrostatische druk en capillaire golven leidt tot een golvend oppervlak van de wand van de cilindrische holte, met drie verschillende golftoppen. Het is maar net welke golftop het meeste uitsteekt. Daar wordt de holte ingesnoerd. Bij de kleinste snelheden van de cilinder sluit de bovenste golftop zich als eerste en is de diepte van de insnoering het kleinst. Bij de grootste snelheden sluit de onderste golftop zich als eerste en is de insnoeringsdiepte het grootst.
 
Niet universeel
Het verloop van die insnoeringsdiepte is niet mooi gelijkmatig, maar vertoont tussen kleine en grote snelheden twee sprongen. Daarmee is dit effect duidelijk niet universeel. Omdat capillaire golven onvermijdelijk zijn bij verstoringen van wateroppervlakken, zullen vergelijkbare verschijnselen zich bij een groot aantal uiteenlopende fenomenen voordoen. Voor de nauwkeurige beschrijving van dit soort processen zal de invloed van capillaire golven dan ook moeten worden toegevoegd.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven