Drijvende druppels

Een lezer heeft een aardige waarneming gedaan bij de bereiding van een kopje thee. Dat is te zeggen: hijzelf deed de aardige waarneming, de bereiding was in handen van zijn vriendin die haar thee graag aanzoet met honing. Het trof de lezer dat de honing zo volmaakt kalm en geluidloos uit de honingpot in de thee gleed. Zonder enig vertoon verdween het goedje in de diepte. Of dat niet een bespreking waard was.

Thee en honing, afzonderlijk of in combinatie, zijn geen dagelijkse kost voor de AW-redactie. Dus gauw voor de ingrediënten naar de winkel. De honing werd acaciahoning omdat de andere soorten niet wilden stromen of aanzienlijke raatresten bevatten. De Ceylon-thee kwam uit Sri Lanka en reproduktie van de lezerervaring was een fluitje van een cent. De honing ging rimpelloos en zonder enig gerucht naar beneden.

Maar de grote opwinding bleef uit want van keukenstroop en karnemelksepap was de waarneming al langer bekend en bovendien bleek de bijzondere honingeigenschap eenvoudig op te heffen. Een monster acaciahoning dat voldoende lang au-bain-marie bij honderd graden werd verwarmd verloor zoveel van zijn viscositeit dat de substantie net zo makkelijk klateren wilde als gewoon water. Zoals al eerder besproken (AW 21/5/1992) is vorming van druppels praktisch gesproken een voorwaarde voor het ontstaan van geluid.

Het lag bij nader inzien meer voor de hand de zaak om te draaien en te onderzoeken waarom de meeste vloeistofstralen juist zo onrustig zijn en de neiging vertonen in losse druppels uiteen te vallen. Maar daarover, dat is: over hydrodynamische stabiliteit, bestaat al omvangrijke literatuur die teruggaat tot baanbrekend werk van lord Rayleigh (die van de blauwe lucht) in 1879. Rayleigh heeft over het opbreken van vloeistofstralen onder invloed van kleine verstoringen een wiskundige verhandeling geschreven waarin de hoofdrol is weggelegd voor de oppervlaktespanning. Kortom: het fenomeen kent een exacte en sluitende verklaring en bevindt zich, zoals een geraadpleegde onderzoeker van TNO's Technisch Physische Dienst het behoedzaam uitdrukt, niet in de schemerzone van de wetenschap waaruit gewoonlijk voor de AW-rubriek wordt geput.

Schemerzone! Als het ergens schemert dan is het wel in een ouderwetse koffiepot onder een ouderwets koffiefilter dat net in die pot leegloopt. Wie het filter onverhoeds optilt om de voortgang van de koffiebereiding te inspecteren loopt het risico zelfs helemaal niets te zien. Daarom is het beter het filter te laten leegdruppelen in een schaal of wijde kom. Dan komt met wat geluk in beeld wat hier vandaag het onderwerp is: het fenomeen van de rollende druppel. The phenomenon of the floating drop.

Zó lukt het zeker: breng Amsterdams leidingwater aan de kook in een aluminium fluitketel uit de DDR en schenk die uit in een aluminium Melitta-filterhouder met een papierfilter (AH, nummer twee) dat voor minstens tweederde is gevuld met fijngemalen Honesta-koffie, eveneens van AH. Houd de filterhouder een centimeter of acht boven een witte aardewerken schaal en bestudeer de bellen die de laatste koffiedruppels in en op het vloeistofoppervlak doen ontstaan. Het merendeel daarvan bestaat uit oninteressante luchtbellen, dus lucht gevangen in een koffiefilm.

Maar als de koffie goed sterk is en het water voldoende heet, dan schieten af en toe ook kleine druppels voorbij die massief zijn, druppels die onder de lamp prachtig oplichten. Met wat oefening lukt het rollende druppels van wel drie, vier millimeter diameter te produceren die zich een paar seconden handhaven. Wie zonder de handen vuil te maken een voorstelling van de schoonheid van deze druppels wil krijgen moet de Scientific American van augustus 1973 inzien. De rubriek Amateur Scientist brengt een overtuigende foto en een schets van een soort heksenvangmachine waarmee de druppels zijn op te wekken, beide van de hand van een zekere G. Schol.

Gerard Schol was tot voor kort leraar wis- en natuurkunde aan de christelijke scholengemeenschap Liudger in Drachten. Hij zag de snelle rollende waterdruppeltjes, die hij globulen of waterbolletjes noemt, voor het eerst tijdens een kanotocht in Noorwegen ontstaan uit het water dat van zijn peddel drupte. Thuis besloot hij uit te zoeken of ze ook onder geconditioneerde omstandigheden waren op te wekken.

Het lukte al met een conservenblik waarin een gaatje was geprikt maar het mooist ging het ten slotte met het toestel uit Scientific American. Dat spuit leidingwater door een capillair schuin omhoog en vangt de fijne waterstraal op in een tot de rand met water gevulde plastic schaal precies op de plaats waar de straal opbreekt in afzonderlijke druppels. De capillair is zo gericht dat de waterduppels op die plaats nagenoeg horizontaal bewegen. Bijna alle druppels die vanuit die positie op het wateroppervlak belanden worden globulen. Schol stuurde zijn ontdekking naar Scientific American en zag zijn stuk tot zijn verrassing geplaatst, compleet met naam en adres. Er kwamen karrevrachten post uit de verste uithoeken van de wereld.

Schol schreef destijds dat hij geen literatuur over rollende druppels had kunnen vinden. Toch was die er wel, iemand als prof.dr. M. Minnaert ('De natuurkunde van 't vrije veld') vond zelfs verwijzingen naar publikaties in 1881. Uit eigen experimenten leidde Schol af dat elektrostatische afstoting een belangrijke rol moest spelen, want de druppels verdwijnen volledig als men een sterk elektrisch veld aanbrengt boven de opvangschaal (bijvoorbeeld door een met wol elektrisch opgeladen PVC-buis in de buurt te brengen). Maar ook was er een opvallende invloed van oppervlakactieve stoffen als Dreft.

In Nature (15 januari 1944) was al eerder gewezen op de gunstige werking van zeepachtige verbindingen (zoals saponine). Tot dan was het fenomeen vooral toegeschreven aan de (vaak onverklaard gelaten) vorming van luchtkussens tussen de rollende druppels en het vloeistofoppervlak waarop ze rusten. Wie wasbenzine druppelt in een schaal spiritus en ziet hoe een stroom aan druk bewegende bolletjes ontstaat is zeker snel gewonnen voor deze theorie. Anderzijds leveren wasbenzine op water of olijfolie op spiritus weer helemaal geen bijzondere effecten op.

Toch werd de luchtkussentheorie weer nieuw leven in geblazen in Scientific American van april 1974 dat weer een andere (zeer gevaarlijke) heksenvangmachine beschrijft waarmee uit gewoon water grote globulen zijn te bereiden. Essentieel is, noteren de auteurs, dat het gebruikte water extreem zuiver is. De AW-koffieproef stelt zo te zien geen bijzondere eisen aan de waterreinheid. Misschien had Minnaert gelijk toen hij noteerde dat het van belang was stof weg te houden maar dat verontreiniging met olieachtige verbindingen zelfs gunstig werkte. Op sterke koffie drijft onmiskenbaar een olielaagje.

    • Karel Knip