Opspattende waterdruppel voor het eerst beschreven in natuurkundige termen

Persbericht

Opspattende waterdruppel voor het eerst beschreven in natuurkundige termen

Gepubliceerd op
6 november 2018

Iedereen kent het omhoogkomende Eiffeltorentje dat kortstondig ontstaat als een druppel water in een plas valt. Tot nu toe heeft de wetenschap geen goed verband kunnen leggen tussen de verschillende krachten die op het bewegende water werken en de vorm van dit torentje. Cees van Rijn van Wageningen University & Research dook in de materie en ontdekte dat dit vloeistoffenomeen volledig beschreven kan worden vanuit de oppervlaktespanningskracht. In het gespecialiseerde tijdschrift Langmuir beschrijft hij het natuurverschijnsel voor het eerst in natuurkundige termen.

Bij het opspatten zie je altijd diezelfde vorm ontstaan, zegt Cees van Rijn. “Een vloeistoftoren met daarboven nog vaak een peervormige uitstulping die vaak loskomt van het torentje. En dat alles in een fractie van een seconde”.

“Door de oppervlaktespanning ontstaat eerst een versnelling van de uitgeworpen vloeistoftoren terug naar het vloeistofbad, waardoor een drukgradiënt in de toren ontstaat,” legt hij uit. “Die drukgradiënt bepaalt vervolgens in combinatie met opnieuw de oppervlaktespanning dat de toren de vorm van een kleine Eiffeltoren aanneemt.”

Figuur: Koffiejet uit het artikel in Langmuir (2018). De blauwe streepjeslijn geeft de voorspelde vorm volgens het gepresenteerde model.
Figuur: Koffiejet uit het artikel in Langmuir (2018). De blauwe streepjeslijn geeft de voorspelde vorm volgens het gepresenteerde model.

Slow motion filmopnames maken duidelijk dat wanneer een druppel, zoals van de regen of de koffie uit een koffiezetapparaat, het oppervlak van een plas of de koffie bereikt, er eerst een krater ontstaat, waaruit vervolgens een centrale vloeistoftoren oprijst. Van onderen breed als de poten van de Eiffeltoren, naar boven toe cilindrisch taps doorlopend, om aan de top een bolletje of een of meer losse druppeltjes te vormen. Het torentje of jet zakt weer in het wateroppervlak, even later gevolgd door de druppeltjes.

Eiffeltorentje als universele vorm

De vorm van de Eiffeltoren is universeel voor druppels die opspatten, zegt Van Rijn. “Of het nu de regen in het zwembad is of de druppel van een kopje koffie in een reclamefilmpje, zoals de Nespresso commercial met George Clooney. Bij het opspatten zie je altijd dezelfde vorm ontstaan, en waarvan de grootte alleen afhankelijk is van de oppervlaktespanning, de dichtheid van de vloeistof, en de versnelling waarmee het torentje als gevolg van de oppervlaktespanning naar beneden wordt getrokken.

Inkjetindustrie

Een mogelijke toepassing kan er zijn in de inkjetindustrie, waarbij druppels worden weggeschoten, waaraan soms nog een kleine Eiffeltorenvormige staart zit. Door de vormverandering van de staart te meten kan de dynamische oppervlaktespanning worden bepaald, zoals in het Langmuir-artikel wordt beschreven.

Een ander toepassing is er in de druppelfotografie waarbij eerst een zo hoog mogelijke ‘Eiffeltoren’ wordt gevormd, die daarna wordt gebombardeerd met verdere druppels die naar beneden vallen, hetgeen vaak spectaculaire beelden oplevert. Door gebruik te maken van de voorspellingen van het model kun je bijvoorbeeld als uitgangspositie kleinere of grotere vloeistoftorens maken door vloeistoffen te nemen met een andere oppervlaktespanning en/of massadichtheid. Voorbeeld van druppelfotografie, waarbij verschillende druppels op de top van een net gevormde Eiffeltoren van vloeistof is gevallen is te zien op https://www.oce.com/fluid-dynamics/.