Waterraadsel

Karel Knip

Dr. Zeepaard vraagt om hulp. Aan het eind van deze wetenschapsbijlage vindt men de pagina De Kleine Wetenschap met aan de onderzijde de rubriek de Proefjesfabriek. In die rubriek worden klassieke proefjes besproken die kinderen makkelijk zelf kunnen nadoen. Vandaag is er weer zo een. Het beschrijven van de proefjes is voor de dienstdoende redacteur een koud kunstje. De moeilijkheden beginnen steeds op de plaats waar in eenvoudige bewoordingen een verklaring moet worden gegeven voor het proefverloop.

Leg een achtjarige uit hoe interferentiekleuren ontstaan in een dunne laag olie. Vertel wat een alkalische oplossing is. Probeer het eens. Opeens besef je dat je zelf niet helemaal het naadje van de kous kent. ’t Kwam afgelopen week toevallig ter sprake: men denkt het sluitmechanisme van een rits te begrijpen totdat gevraagd wordt dit mechanisme aan een ander uit te leggen.

Op 24 juli werd in de proefjesfabriek besproken hoe je de golven op zee kunt dempen door er olie op te gieten. Zeelui van weleer deden het door visolie op het woeste water te laten lopen. Het valt nog niet mee om zelf te begrijpen hoe een flinterdun laagje olie het geweld van de golven dempen kan, laat staan dat je dat aan achtjarigen duidelijk kunt maken. Je troost je met de gedachte dat het er toch vooral op aan komt dat het proefje as such reproduceerbaar is en tot denken aanzet.

Op 24 juli leverde dat een probleem op. Er was beschreven hoe een scheut olijfolie kalmte bracht op een Amsterdamse gracht maar een lezer die het experiment op kleine schaal nadeed zag zijn olijfolie helemaal niet uitvloeien. Zijn olie bleef in dikke vetogen in de afwasteil drijven. Nu wil hij weten: wat zijn eigenlijk de nodige en voldoende eigenschappen van een goed spreidende olie. Waaraan herken je zo’n olie op voorhand?

En wij weten het niet. Het onderwerp valt niet goed te googlen en de intuïtie schiet te kort. De lezer zelf veronderstelt dat minerale oliën misschien makkelijker spreiden dan plantaardige en dierlijke oliën, omdat er rond buitenboordmotoren vaak veel optimaal gespreide olie drijft. Wij van AW denken dat dit komt doordat de olie eerst in de vorm van mengsmering vermengd was geweest met benzine. In de AW-afwasteil spreidde rijwielolie net zo beroerd als olijfolie. Pas op de gracht ontstond, mogelijk onder invloed van het kalm gekabbel, de dunne laag met die mooie interferentiekleuren. En het lijkt wel evident dat de olie niet te viskeus moet zijn. Maar verder? Er is geen vraag meer naar.

Op 14 augustus werden kinderen opgeroepen een jampot vol water te gieten, de volle pot af te sluiten met een ansichtkaart en het geheel ondersteboven te houden. Dan bleek dat de jampot toch niet leeg liep terwijl je dat wel verwachten zou. Gelijkluidende beschrijvingen van deze proef zijn onder Google te vinden met zoektermen als ‘inverted cup’ of ‘inverse glass’ met nog wat toevoegingen als ‘water’, ‘falling’ en ‘physics’. Het is een heel klassieke proef waarvoor toch maar zelden een heldere verklaring wordt geboden. En waarin meestal experimenteel wordt te kort geschoten.

In de eerste plaats dit: om het spectaculaire effect op te roepen hoeven pot of glas absoluut niet vol met water te staan voordat de deksel erop gaat. Dat men denkt dat het wel zo is komt door de verklaring die bijna iedereen direct voor ogen heeft, namelijk dat de deksel op zijn plaats blijft doordat de atmosferische druk aan de buitenzijde (1 bar, overeenkomend met 10 meter waterdruk) veel groter is dan de geringe waterdruk aan de binnenzijde, namelijk zo’n 10 cm waterdruk. Zo bezien is het volkomen normaal dat de deksel op zijn plaats blijft.

Het wordt vreemder als er maar een klein bodempje water in de beker staat op het moment dat de deksel erop gaat, misschien maar een paar millimeter water. Ook dan blijft de deksel hangen als het geheel wordt omgedraaid. Terwijl nu aan de binnenzijde op het eerste gezicht duidelijk overdruk lijkt te heersen: lucht van 1 bar vermeerderd met een paar centimeter of millimeter waterdruk.

Goed: met wat rekenen wil daar nog wel een verklaring voor komen. Het is aannemelijk, ja: zelfs voelbaar, dat het deksel een beetje loskomt van de glasrand als hij ondersteboven hangt. Hij hangt als het ware aan de oppervlaktespanning van het water. Stel dat hij 0,5 mm zakt zodra de beker wordt omgedraaid, dan heeft hij het volume van de boven het water ingesloten lucht in het glas makkelijk met 1,5 procent vergroot en de druk daarvan navenant verlaagd. Dat komt overeen met een drukverlaging van 15 cm waterdruk, meer dan er aan water in de beker past. Dat blijkt in de praktijk voldoende om een glazen plaatje van wel 45 gram te kunnen tillen –reken het na. Duidelijk is hiermee geworden dat uit deze hoek het grootste deel van de verklaring van het vreemde fenomeen moet komen. Verifieer de proef met een glazen plaatje en voel hoe dat plaatje echt een eindje zakt.

Wordt de proef herhaald met een plastic beker die een gaatje in de bodem kreeg geprikt dan wil de deksel nog geen seconde blijven hangen. Je begint de proef met je vinger op het gaatje, houdt de boel ondersteboven, trekt de vinger van het gat en: plop daar gaat de deksel.

Maar raadselachtig wordt de kwestie als je doet wat hier op de foto is gedaan. Je neemt een intacte plastic beker (nu weer zonder gaatje in de bodem), zet er een paar cm water, sluit hem af met een deksel, draait hem op en knijpt dan eens stevig in de beker. Je verwacht de deksel pardoes te zien vallen omdat de onderdruk is weggenomen maar hij blijft stevig hangen. Alsof er niets gebeurd is.

Hier stond het verstand stil. Het werd er niet beter op toen bleek hoeveel moeilijker het is om de proeven te herhalen met alcohol (spiritus) en dat ze zelfs helemaal niet lukken willen met wasbenzine (kookpuntenbenzine, in dit geval Coleman Fuel). Het zijn beide vloeistoffen met een mooi lage dichtheid van maar 0,8 gram/cm3. Zit het hem in hun hoge dampdruk? Of is er wat anders aan de hand?