Groeven geven vaak minder wrijving dan een glad oppervlak

In de jaren tachtig ontdekten natuurkundigen dat de huid van haaien voorzien was van talloze kleine ribbels. Deze bleken voor een deel verantwoordelijk voor het schijnbare gemak waarmee deze dieren zich door het water bewegen. Het voorbeeld dat de natuur bood vond al snel navolging in uiterst geavanceerde zeilboten, zoals de Stars & Stripes dat in 1987 de prestigieuze America's Cup wist binnen te slepen.

Waarom een oppervlak met groeven minder wrijving veroorzaakt dan een perfect glad oppervlak, is nog altijd onduidelijk. Snel stromende vloeistoffen en gassen stellen de natuurkundigen sowieso al meer dan honderd jaar voor grote raadsels. Dergelijke turbulente stromingen - in een windtunnel of een pijp - vertonen vooral aan de wand allerlei onvoorspelbare capriolen: golven, wervelingen en uitbarstingen van plotseling sneller stromende plukjes gas of vloeistof. Die zijn er de oorzaak van dat zo'n stroom wrijving ondervindt, of anders gezegd, dat een zeilboot die zich snel door het water wil bewegen een beetje wordt tegengehouden. De ribbels verstoren op een of andere manier deze stromingspatronen en zorgen zo voor een snellere voortbeweging.

Op grond van computermodellen kregen twee natuurkundigen (uit Israel en de Verenigde Staten) vorig jaar het idee dat een interactie tussen de wervelingen en schuin op het oppervlak staande golven wel eens een oorzaak van de wrijving zou kunnen zijn. In dat geval lag een mogelijke oplossing voor de hand. Door willekeurig over het oppervlak kleine verhoginkjes aan te brengen zouden de wervelingen en de golven uit fase raken, waardoor ze elkaar niet meer goed zouden kunnen beïnvloeden.

Vijftien maanden lang werden experimenten gedaan om deze hypothese te toetsen. Kortgeleden konden de resultaten worden gepubliceerd (Nature, 21 aug). Aan een van de wanden van een meer dan acht meter lange windtunnel werden overal kleine v-vormige structuren vastgemaakt. Vervolgens werd de stroming onder dergelijke omstandigheden vergeleken met die in een perfect gladde windtunnel. En inderdaad kon men aantonen dat een 'ruw' oppervlak de wrijving van het gas aan de wand met zo'n 12 procent verminderde. Wanneer dezelfde v-tjes echter in regelmatige rijen achter en naast elkaar werden geplaatst, bleek de wrijving juist toe te nemen. In dat geval werd de interactie tussen golven en wervelingen blijkbaar juist versterkt.

De nu bestudeerde wandwrijving is voor minder dan de helft verantwoordelijk voor de wrijving die een gemiddeld verkeersvliegtuig ondervindt. Het aanbrengen van wandruwheid kan daardoor slechts een kostenbesparing opleveren van zo'n 0.3 procent. In termen van bespaarde brandstof is dat een vrij groot bedrag, maar dat moet dan wel worden afgezet tegen de benodigde investeringen. De nu gepubliceerde experimenten zullen dus alleen op termijn kunnen bijdragen aan bijvoorbeeld een efficiënter vliegverkeer door het begrip over turbulente stromingen te vergroten.