Zwembadpap

PROFESSOR Edward L. Cussler van de University of Minnesota werkt als het AW-labo niet werkt en andersom. Zijn e-mailmachine is waarschijnlijk kapot. E-mails die vanuit Nederland moeiteloos de elektronische snelweg opgaan keren nooit weerom.

Zo kon Cussler geen uitleg geven bij een artikel dat al een dag of tien staat opgenomen in de online-editie van Nature (www.nature.com onder `Today's News')en inmiddels al honderdvoudig op het net is geciteerd. Swimming in syrup is as easy as water, is de eigenaardige titel. Het stukje beschrijft een experiment dat Cussler al meer dan een jaar geleden deed in een binnenbad van de Universiteit van Minnesota. Hij verving het gewone water in het 25-meterbad door een dikke pap, liet er 16 getrainde en ongetrainde zwemmers in zwemmen en stelde vast dat die in de pap net zo snel vooruit kwamen als in gewoon water. Cussler en zijn student Brian Gettelfinger, tevens varsity zwemmer, zouden de resultaten publiceren in het AIChE Journal, maar hebben dat nog niet gedaan.

Het doet denken aan het experiment dat de Delftse hoogleraar Arnold Verruijt omstreeks 1990 uitvoerde om de betrekkelijke ongevaarlijkheid van drijfzand aan te tonen. Maar de claims van Cussler en Gettelfinger, die zich normaal met technisch membraan-onderzoek bezig houden, gaan aanmerkelijk verder. Aan een eeuwenoud debat tussen Isaac Newton en Christiaan Huygens was in de zwembadpap een eind gemaakt.

In de weergave die Nature daarvan geeft zou Newton beweerd hebben dat de snelheid van een voorwerp door een vloeistof mede wordt bepaald door de viscositeit van die vloeistof. Huygens dacht van niet. En omdat Newton er niet uitkwam zou hij het allebei hebben goedgerekend. Dat is: hij zou beide opvattingen in de Principia hebben opgenomen. Aldus Nature.

In de eerste plaats was deze historische controverse deze week niet snel terug te vinden. In de tweede plaats is het natuurlijk net het verkeerde voorbeeld. Het was voor de heren een kleine moeite geweest om bolletjes of balletjes te laten vallen door dikke en dunne vloeistoffen met overigens eenzelfde dichtheid (`soortelijk gewicht'). En natuurlijk hadden ze dan ogenblikkelijk gezien dat de dikheid of stroperigheid van die vloeistoffen (de viscositeit dus) de snelheid enorm beïnvloedt.

Het gaat niet om vallen of slepen, maar om zwemmen. Het gaat om de vraag of de extra weerstand die een onderwaterzwemmende vis, dolfijn of pinguïn van dikker (visceuzer) water ondervindt nagenoeg of volledig wordt gecompenseerd of zelfs overgecompenseerd door het groter gemak waarmee hij zich kan afzetten. De hogere viscositeit levert enerzijds extra weerstand (`drag') op maar kan anderzijds de aandrijvingskracht (de `thrust') flink verbeteren. Niemand kan op voorhand zeggen wat de doorslag zal geven. Het is heel moeilijk gebleken de voortdurend wisselende `drag' tijdens het zwemmen, waarbij ook de `thrust' voortdurend wisselt, te meten. `Thrust-inducing and drag-inducing structures cannot easily be separated', schrijft Steven Vogel in het mooie Life in moving fluids (Princeton University Press, 1994).

Het staat ook zonder aanvullende experimenten wel vast dat uiteindelijk de `drag' het wint: in heel visceuze vloeistoffen komt de zwemmer niet vooruit. Daarom ook was het gebruik van de term `syrup' ongelukkig. Cussler gebruikte geen stroop maar een soort waterige pap. Hij loste 700 pounds guargom op in 175.000 gallons water. Dat is 0,48 gram per liter, waarschijnlijk was het recept 0,5 gram per liter. Technici noemen dat een concentratie van 0,05 procent. Guargom is een bekend en erkend verdikkingsmiddel (E412) voor de voedingsindustrie. Het meel wordt gewonnen uit de zaden van de guarplant. Het lost op in koud water en is nauwelijks gevoelig voor de zuurgraad.

Maar de dikheid die in de voedingsindustrie wordt nagestreefd bereikt men met concentraties van ongeveer 0,25 tot 1 procent. (In `Slime' is het 0,8 procent.) Daarvoor had Cussler waarschijnlijk geen geld. Hij nam maar 0,05 procent en wist de viscositeit van het gewone zwembadwater dan ook met niet meer dan een factor twee te vergroten. Dat is ongeveer wat er gebeurt als je water van 30 graden Celsius afkoelt naar 0 graden Celsius: de meeste mensen voelen het verschil niet.

Het was dus niet zo heel vreemd dat de zwemmers in de twee verschillende vloeistoffen even snel vooruitkwamen. Het kan nog zijn dat Cussler de viscositeit niet goed gemeten heeft, want als niet-Newtonse vloeistof heeft guarpap de onhebbelijke eigenschap zijn viscositeit aan de belasting aan te passen. Ook loopt de viscositeit van de pap terug als er flink doorheen wordt geroerd of gezwommen. Enfin, misschien antwoordt Minnesota nog.

Het AW-testcentrum kwam op het idee om een dikkere pap te maken en daar niet zelf in te duiken maar er een opwindbaar speelgoedje door te laten zwemmen. Die bestaan immers. Plastic dolfijnen, kikkers, misschien een enkele duikboot. Maar ook dit liep dood. De bedoelde artikelen behoren tot het zomergoed, legde de Intertoys-man uit. En het zomergoed is net opgeruimd. Een halfhartige poging om van Meccano een open duikbootje te maken dat door een getordeerd elastiekje werd aangedreven (Gummi-U-Boot) strandde in een vroeg stadium. Suggesties voor verder onderzoek zijn welkom.

Als troost hier nog in het kort de kwestie die Verruijt destijds beslechtte. Het ging niet om een uitspraak van Newton, maar om een van Archimedes. De wet van Archimedes zegt dat de opwaartse kracht die een vloeistof uitoefent op een (half) ondergedompeld lichaam gelijk is aan het gewicht van de verplaatste hoeveelheid vloeistof. Bij eenzelfde mate van onderdompeling is de opwaartse kracht evenredig met de dichtheid van de vloeistof. Hoe dichter (zwaarder) de vloeistof, hoe makkelijker je drijft.

De wet van Archimedes voorspelt daarom dat je niet kunt wegzakken in drijfzand: het heeft een te hoge dichtheid. Niemand die het gelooft, maar Verruijt heeft in een grote tank drijfzand nagebootst en geprobeerd daarin een student te laten verdrinken. Het lukte niet.