Afgesnoerde bellen in water vertonen afwijkend gedrag

Anders dan bij ingesnoerde waterdruppels in lucht, is de vorm op het 'breekpunt' van ingesnoerde luchtbellen in water niet steeds gelijk. Dit hebben Twentse fysici laten zien in experimenten waarbij gebruik is gemaakt van een hoge-snelheidscamera (Physical Review Letters, 21 april).

Vorming van een langgerekte bel lucht in water, inclusief tijdstippen gerekend vanaf de ‘totale’ insnoering.De witte lijn geeft de simulaties weer. foto’s tu twente

Wanneer een kraan langzaam wordt dichtgedraaid, 'breekt' de straal op zeker moment in druppels. Natuurkundigen gaan ervan uit dat bij zo'n insnoering tot een punt, de vorm van de druppel rond dat punt steeds gelijk is, onafhankelijk van de afmeting van het geheel en het tijdstip waarop het verschijnsel bekeken wordt. Bij het breken van een golf in de branding speelt iets dergelijks.

Naar nu is gebleken, ligt het in het omgekeerde geval, dus bij een ingesnoerde luchtbel in water, toch anders. De Twentse fysici, behorend tot de groep van Detlef Lohse, maakten die luchtbellen in water door een schijf op een steel met een snelheid van 0,5 tot 3 m/s onder water te trekken en met een hoge-snelheidscamera (1000 beelden per seconde) vast te leggen wat er gebeurt.

In eerste instantie trekt de schijf een 'holte' in het wateroppervlak. Als gevolg van de hydrostatische druk van opzij klapt die holte in het midden dicht: onder ontstaat een luchtbel, afgesneden van de 'bovenlucht'. Op een gegeven moment in dat proces is insnoering tot één punt bereikt. Door de hoge zijwaartse druk spuit de vloeistof langs de as van de holte naar boven (en beneden). Soms is de straal meters hoog.

De foto's laten zien dat de vorm rond de insnoering ditmaal niet steeds hetzelfde is maar van twee factoren af hangt: de straal van de smalle waterkolom waar de insnoering plaats grijpt en de kromming van die kolom in vertikale richting. Deze straal en kromming veranderen in de tijd, afhankelijk van de snelheid waarmee de schijf onder water wordt getrokken. De fysici konden het waargenomen gedrag ook in simulaties aantonen.

De resultaten zijn praktisch van belang. Gasbellen als gevolg van insnoering komen in chemische reactoren veelvuldig voor. Ook bij het zuurstofevenwicht tussen wereldzeeën en atmosfeer speelt het effect, via ingesnoerde druppels die ontstaan bij het inslaan van regendruppels en het breken van golven.

Dirk van Delft

    • Dirk van Delft