Vloeistof soms besluitloos over convectiepatroon

Wordt een dunne laag vloeistof aan de onderzijde gelijkmatig verwarmd, dan ontstaat er een patroon van ruwweg zeshoekige 'cellen', zogeheten Bénard-cellen (naar de Franse fysicus Henri Bénard).

Dit patroon is het gevolg van regelmatige op- en neerwaartse bewegingen in de vloeistof. Sinds kort worden ook andere patronen gesignaleerd, zoals spiralen en concentrische cirkels. Meestal verschijnen die onder verschillende experimentele omstandigheden, maar fysici van het Weizmann Instituut in Rehovot (Israël) hebben ze nu ook gelijktijdig in dezelfde vloeistof kunnen laten ontstaan.

De onderzoekers bestudeerden convectiepatronen in vloeibaar gemaakt zwavelhexafluoride. Dit bevond zich in een drukvat (met een venstertje) dat aan de onderzijde werd verwarmd. Druk en temperatuur in de vloeistof konden heel nauwkeurig worden ingesteld. Speciale schaduwtechnieken werden gebruikt om de convectiepatronen aan het oppervlak van de vloeistof zichtbaar te maken. Deze technieken waren nodig omdat de onderlinge afstand tussen de 'ribbels' aan het oppervlak slechts 0,1 tot 0,2 millimeter bedroeg.

De onderzoekers konden zowel spiralen als cirkelpatronen laten ontstaan. Welke vorm er ontstaat blijkt af te hangen van het zogeheten getal van Prandtl, een grootheid die een rol speelt bij de warmte-overdracht in gassen en vloeistoffen. Hij wordt bepaald door de soortelijke warmte, viscositeit en warmtegeleiding. Bij lage waarden van het getal blijken vooral spiralen te ontstaan en bij hoge waarden cirkelpatronen. Bij tussenliggende waarden ontstaan beide vormen. Spiralen kunnen stilstaan of draaien en wel in beide richtingen (Nature 367, p. 345).

Spiralen en cirkelpatronen kunnen ook in elkaar overgaan. Zo'n overgang van de ene vorm naar de andere begint meestal nabij het centrum van een cel. Het binnenste cirkeltje breekt open en vormt een verbinding met een naburige ribbel, waardoor er een spiraal ontstaat. Of het begin van een spiraal verandert in een cirkelvormige ribbel. Vaak wordt de omslag geïnitieerd door een naburig 'defect', of een verandering van het golfgetal (het aantal ribbels dat plaatselijk aanwezig is). De verandering plant zich van binnen naar buiten toe voort.

Het mechanisme van verbreken en herverbinden komt ook elders in de convectiepatronen voor. Soms wordt een ribbel verbroken, maar kan de vloeistof blijkbaar niet beslissen of er nu een andere of toch weer eenzelfde verbinding moet worden gevormd. Dit kan leiden tot een quasiperiodieke opeenvolging van meer dan twintig maal verbreken en herstellen. Dit wijst er op dat het systeem in dat geval in meerdere stromingstoestanden kan voorkomen. De wanden van het vat hebben geen invloed op het ontstaan of veranderen van een patroon.

Een bevredigende verklaring voor het onstaan van deze merkwaardige convectiepatronen ontbreekt momenteel. De patronen kunnen niet worden verklaard met behulp van de bekende vergelijkingen waarmee stromingen in vloeistoffen worden beschreven. Het feit dat de patronen naast elkaar kunnen voorkomen en ook continu in elkaar kunnen overgaan, suggereert volgens de onderzoekers dat er eenzelfde soort mechanisme aan ten grondslag ligt.

    • George Beekman