Juist met een kreukelig pak val je sneller, vanaf 39 km

Aerodynamica

Ballonspringer Felix Baumgartner ging bij zijn diepe val in 2012 veel sneller dan verwacht. Dankzij de turbulentie, zo blijkt nu.

Stuntman Felix Baumgartner stapt uit zijn balloncapsule, op 39 km hoogte boven New Mexico, op 14 oktober 2012. Foto RED BULL STRATOS

Ruim vijf jaar geleden liet de Oostenrijkse skydiver Felix Baumgartner zich van 39 km hoogte naar beneden vallen. Hij was de eerste die tijdens een vrije val de geluidsbarrière doorbrak. Baumgartner haalde, met zijn onregelmatig gevormde uitrusting, zelfs een hogere snelheid dan verwacht werd voor een glad en symmetrisch gevormd object. Vreemd genoeg behaalde hij, volgens onderzoekers van de Technische Universiteit München, die hoge snelheid juist doordat zijn uitrusting een ruw oppervlak had en onregelmatig gevormd was. Hun resultaten verschenen begin december in PLOS ONE.

Voor de sprong was uitgerekend dat Baumgartner van minimaal 37 kilometer hoogte moest springen om als eerste skydiver de geluidsbarrière te doorbreken – onder die omstandigheden ligt die bij ongeveer 1.000 kilometer per uur. Naar verwachting zou hij met ruim 1.200 kilometer per uur naar beneden kunnen suizen. In werkelijkheid haalde hij een topsnelheid van bijna 1.400 kilometer per uur.

Tijdens de vrije val van ruim vier minuten draaide Baumgartner aanvankelijk zo snel rond dat hij vreesde het bewustzijn te verliezen, vertelde hij The Telegraph. Na 40 lange seconden lukte het hem die draaiing te stoppen. Naar de livestream van zijn val op YouTube keken ruim acht miljoen mensen.

Unieke kans

De Duitse onderzoekers hadden tijdens de recordsprong de unieke kans om metingen te doen aan zijn uitrusting en om met een weerballon de lokale atmosferische omstandigheden, zoals temperatuur en luchtdichtheid te meten. Door deze gegevens te combineren met beelden van camera’s die bevestigd waren op het pak van Baumgartner, berekenden de onderzoekers dat de luchtweerstand die Baumgartner ondervond, een vijfde was van wat ze hadden verwacht. Zo kon hij die hogere topsnelheid behalen.

Tegen-intuïtief

Het is tegen-intuïtief, maar uit het onderzoek bleek hij de lagere weerstand bij de extreem hoge snelheden juist te danken had aan de deuken, kreukels en onregelmatigheden van de uitrusting. Hoe werkt dat?

Wanneer de snelheid van een glad en symmetrisch voorwerp de geluidsbarrière doorbreekt, gedraagt de lucht zich als een stug en stijf materiaal. Er ontstaan schokgolven die tegen het laagje lucht aan het oppervlak van het voorwerp botsten. Door de reactie tussen dat zogenoemde grenslaagje en de schokgolf neemt de luchtweerstand toe en wordt het voorwerp afgeremd. Door Baumgartens camera’s en rugzak ontstond onvoorspelbare turbulentie

Maar Baumgartner is geen glad en symmetrisch voorwerp. De vouwen in zijn pak geven hem een ruw oppervlak en zijn camera’s, rugzak en ledematen geven hem een onregelmatige structuur. „Die complexe vorm zorgt ervoor dat de snelheid van de lucht op verschillende plekken varieert. Daardoor heeft de luchtstroom tijdens het doorbreken van de geluidsbarrière op sommige plekken wel al supersonische snelheden en op andere nog niet”, vertelt Markus Guerster in een mail. Hij onderzocht de meetgegevens van de sprong tijdens zijn bacheloronderzoek in München. Die snelheidsverschillen zorgen ervoor dat het stabiele grenslaagje aan het oppervlak verdwijnt en plaats maakt voor een turbulente luchtstroom. Die turbulente lucht zorgt ervoor dat schokgolven afzwakken. Daarom remt Baumgartner nauwelijks af.

Dit verschijnsel was lastig te voorspellen. „De turbulente luchtstromen die ontstaan door het onregelmatige oppervlak van de uitrusting, kunnen ook voor afremming zorgen”, vertelt Guerster. De onderzoekers wisten niet welk effect zou winnen.

Door deze onzekerheden is het lastig om voor onregelmatig gevormde objecten theoretisch de luchtweerstand te voorspellen. De complexiteit ervan is te vergelijken met weermodellen. Ook het weer kan alleen met veel moeite en rekenkracht tot hooguit een paar dagen vooruit nauwkeurig voorspeld worden. De maximale valsnelheid wordt daarom bijna altijd experimenteel bepaald.

Felix Baumgartner op weg naar beneden…

Foto RED BULL STRATOS

Dit soort experimenten kun je niet zomaar met mensen doen. De onderzoekers waren dus erg blij met de waaghals Baumgartner. Het was een unieke kans om te bestuderen hoe een onregelmatig gevormd voorwerp valt bij extreem hoge snelheden.

Volgens hoogleraar Ulrich Walter, een van de onderzoekers en aanwezig bij de sprong van Baumgartner, waren ze ook benieuwd hoe Felix Baumgartner het doorbreken van de geluidsbarrière zelf zou ervaren. „Na zijn sprong vertelde hij dat hij niets had gemerkt van de geluidsbarrière”, vertelt Walter in een mail. „We hebben met ons onderzoek aangetoond dat dit verklaard kan worden doordat er geen merkbare schokgolven rond zijn lichaam waren omdat ze afgezwakt werden door zijn onregelmatig gevormde pak en uitrusting.”

    • Dorine Schenk