Autorotatie geeft vallende voorwerpen extra "lift'

Wanneer men een rechthoekig stukje karton met de lange zijde horizontaal gehouden loslaat, dan zal het al vallend uit zichzelf gaan roteren rond een horizontale as.

Deze autorotatie, die bij vele voorwerpen in een luchtstroom (of water) optreedt, is het gevolg van een drukvermindering die door een werveling achter een van de vlakken ontstaat. De uiteindelijke maximale rotatiesnelheid hangt af van de vorm van het voorwerp en van de snelheid van de stroom. Door de rotatie wordt bovendien een "lift' opgewekt: een opwaartse kracht die in combinatie met de andere krachten het voorwerp schuin omlaag doet vallen.

Het verschijnsel autorotatie, dat al meer dan 140 jaar geleden werd beschreven door James Clerk Maxwell, werd tot nu toe voornamelijk bestudeerd met behulp van dunne, vlakke plaatjes in een luchtstroom. De Zuidafrikaanse ingenieur B.W. Skews ontdekte vorig jaar dat ook bij een massieve kubus autorotatie optreedt, wat er toe leidde dat hij het effect ging bestuderen bij prismatische lichamen waarvan de doorsnede regelmatige veelvlakken zijn. Plastic voorwerpen met (in de lengterichting) twee tot acht zijden en met verschillende diameters, werden daartoe draaibaar opgesteld in een kleine windtunnel.

Uit dit onderzoek is gebleken dat alleen bij lichamen met minder dan acht vlakken autorotatie optreedt; een achtzijdig prisma kon ondanks herhaalde pogingen niet tot rotatie worden gebracht. De rotatiesnelheid neemt toe bij het afnemen van het aantal zijden en is bij een driezijdig prisma het grootst. Zo'n vorm roteert bovendien sneller dan een vlak, dun plaatje (twee zijden). De rotatiesnelheid hangt bij één voorwerp wel af van de luchtsnelheid (zoals verwacht), maar niet van de diameter. De opgewekte "lift' is het grootst bij een dun plaatje en neemt gestaag af bij het toenemen van het aantal zijden (Nature 352, p. 470 en 512).

De resultaten van dit experiment zouden op uiteenlopende gebieden van nut kunnen zijn. Skews zelf noemt onder andere het onderzoek naar de verspreiding van (vallende) zaden, de groei van hagelstenen en de banen van brokstukken van vliegtuigen of ruimtevaartuigen. De autorotatie zou een belangrijk effect hebben op het verspreidingsgebied van zulke brokstukken; vlakke onderdelen zouden onder een hoek van maar liefst zo'n 45 graden omlaag komen.

In een begeleidend commentaar worden nog genoemd: onderzoek naar de winning van waterenergie en naar het gedrag van brandstofstaven in kerncentrales. Deze laatste zijn zeskantig, bevinden zich in snel stromende koelvloeistoffen en worden dus ook belast op rotatiekrachten, ofwel torsie. (George Beekman)

Komeetbaan verstoord door botsingen met grote meteorieten

De kometen die zich af en toe in de buurt van de aarde vertonen, komen uit een enorm gebied rond de zon dat zich uitstrekt tot ruwweg halverwege de meest nabije sterren. In dit "reservoir', de Oort-wolk (naar de Nederlandse astronoom J.H. Oort), zouden zich minstens een biljoen kometen bevinden. De meeste beschrijven ruwweg cirkelvormige banen en komen nooit in de buurt van ons zonnestelsel. Af en toe krijgt er een door de zwaartekrachtswerking van het Melkwegstelsel echter een duwtje in toevallig de richting van de zon. Na ruwweg een miljoen jaar komt hij in onze buurt, ontwikkelt een coma en een staart en kan zo aan de hemel zichtbaar worden.

Ook al bevinden de meeste kometen zich onwaarneembaar ver van de zon, toch zijn ze er via de zwaartekracht nog mee verbonden. Dit betekent dat de baan van een komeet altijd een ellips of een parabool moet zijn. In een aantal gevallen heeft men een hyperbolische baan gevonden, hetgeen zou betekenen dat de komeet een snelheid heeft die te groot is om hem aan de zon te binden. Zo'n baan is dan echter het gevolg van de storende invloed van een planeet. Ook is bekend dat een komeetbaan in de buurt van de zon kan veranderen als gevolg van de reactiekrachten van de gassen die van het komeetoppervlak wegspuiten: het zogeheten raket-effect. Buiten het planetenstelsel zou een komeetbaan altijd een ellips of parabool moeten zijn.

Kometen komen uit allerlei richtingen uit de ruimte naar de zon toe. Onlangs hebben astronomen van de universiteit van Zuidwest-Luoisiana iets opmerkelijks opgemerkt. Tijdens een onderzoek naar de getijdenwerking van het Melkwegstelsel op komeetbanen ontdekten ze dat de kometen die de meest uitgesproken hyperbolische baan hebben ook een retrograde baan hebben, dat wil zeggen om de zon bewegen in een richting tegengesteld aan die van de planeten. Selectie-effecten zouden niet de oorzaak kunnen zijn, evenmin als de invloed van een ster of de extra invloed van een planeet.

Volgens de onderzoekers zou de hyperbolische baan in dit geval het gevolg kunnen zijn van de inslag van meteorieten op de komeetkern. Het oppervlak zou door die inslagen worden "omgewoeld', waardoor er meer gas (en stof) kunnen vrijkomen en het raket-effect wordt versterkt. Doordat meteorieten zich ruwweg in het vlak van de planeetbanen om de zon bewegen, zou het effect van de inslagen in dit geval het sterkst zijn bij kometen die juist in eentegengestelde richting om de zon bewegen en die bovendien het dichtst bij de zon komen (Nature 352, p. 508).

Met de nu bekende populatie van meteorieten in het zonnestelsel zou volgens berekeningen het komeetoppervlak te weinig worden omgewoeld. De onderzoekers veronderstellen daarom dat er nog een populatie van grotere objecten bestaat. Het bestaan van zulke grote meteorieten, met een diameter in de orde van tien meter, is al eerder gesuggereerd als mogelijke verklaring voor het grillig gedrag van sommige kometen. Zo heeft men van zes van de zeven kometen met hyperbolische banen waargenomen dat ze in tweeën braken, hetgeen heel goed door een botsing van een zware meteoriet te verklaren zou zijn. En ook de recente uitbarsting van gassen op komeet Halley, die eigenlijk geen enkele activiteit meer zou mogen vertonen, zou door zo'n inslag verklaard kunnen worden.