Orakel
26-06-05, 09:39
Help, Archimedes verzuipt!
Onvermoede complicaties van het drijven
Volgens nieuw natuurkundig onderzoek gaat de wet van Archimedes bij kleine drijvende voorwerpen niet op. Een gevolg daarvan is dat drijvend afval zich via bepaalde patronen over het water verdeelt.
De Wet van Archimedes heeft meer dan 2200 jaar het hoofd boven water weten te houden. Ieder schoolkind leert: "De opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof ondervindt is gelijk aan het gewicht van de verplaatste vloeistof." De Wet van Archimedes is de drijvende kracht -letterlijk- achter scheepvaart, zeppelins, luchtballonnen, duikboten en vissen. Maar nu schrijven fysici G. Falkovich en collega's van het Weizmann wetenschapsinstituut uit Israel en de Universiteit van Hull (Engeland) dat de Wet van Archimedes voor kleine drijvende deeltjes niet opgaat. Hun verhaal staat deze week in het wetenschapsblad Nature.
Wat Archimedes in zijn Eureka-moment over het hoofd zag, was de capillaire werking en de oppervlaktespanning van het water. Een klein (enkele tienden millimeter) waterafstotend teflonballetje bijvoorbeeld ligt hoger op het water dan een even zwaar, dus hol, wateraantrekkend glazen bolletje. De capilaire werking trekt het glazen bolletje de vloeistof in waardoor het meer vloeistof verplaatst dan zijn eigen gewicht. Bij het hydrofobe teflonballetje werkt het andersom: de afstoting zorgt dat het balletje hoog op het water blijft liggen zodat de waterverplaatsing minder is dan het eigen gewicht.
De fysici concluderen hieruit dat er een extra netto kracht in het spel is. In het geval van een wateraantrekkend (hydrofiel) balletje is die kracht omhoog gericht, bij een waterafstotende (hydrofoob) balletje is die kracht omlaag gericht. Immers, het hydrofobe bolletje ligt eigenlijk te hoog op het water. Het verschil tussen eigen gewicht en (kleinere) verplaatste watervolume vormt de neerwaarts gerichte netto kracht.
Leuk wordt het pas als de vloeistofspiegel waar de bolletjes op drijven niet waterpas loopt, maar schuin. Dat is het geval bij golven, maar ook bij een stilstaande meniscus. Denk aan de gebogen randen van een plasje water op een tafelblad. Een klein balletje van minder dan een millimeter groot beweegt zich op een statische vloeistofhelling naar beneden (hydrofoob) dan wel naar boven (hydrofiel) al naar gelang het materiaal.
Wanneer de vloeistofspiegel niet statisch is maar beweegt, zoals bij een golf dan verplaatsen de drijvende bolletjes zich naar de pieken en dalen van de golf wanneer ze waterafstotend zijn, en juist naar de stilstaande delen als ze wateraantrekkend zijn.
De onderzoekers deden hun experimenten met zogenaamde 'staande golven'. Dat zijn golfpatronen met vaste minima en maxima. De plaatsen met de grootste bewegingen (toppen en dalen) heten 'buiken', de plekken waar het water stilstaat worden 'knopen' genoemd. Uit experimenten bleek hydrofoob materiaal zich te verzamelen op de buiken en hydrofiele balletjes juist op de knopen.
Waarom dat zo is, kunnen de onderzoekers alleen met formules bewijzen. Het komt er op neer dat in een staande golf de neerwaartse kracht groter is wanneer de golf hol is, dan wanneer hij bol is. Het gevolg daarvan is dat het drijvende bolletje bij iedere trilling iets verder naar de diepte, dus het midden van de golf beweegt. Het glijdt ook terug van de bolle golf maar minder, zodat in twee tot twintig trillingen, afhankelijk van de golfhoogte, het teflonbolletje op de buik van de staande golf is beland.
Als toepassing denken de fysici aan de scheiding van drijvend materiaal. Ook verklaart hun verhaal waarom olie zich op de maxima van golven verzamelt en minder er tussenin.
Jos Wassink
G. Falkovich, A. Weinberg, P. Denissenko, S. Lukaschuk: "Floater clustering in a standing wave", Nature, Vol. 435, p. 1045, 23 juni 2005-06-21
http://noorderlicht.vpro.nl/artikelen/22899957/
:fparty:
Onvermoede complicaties van het drijven
Volgens nieuw natuurkundig onderzoek gaat de wet van Archimedes bij kleine drijvende voorwerpen niet op. Een gevolg daarvan is dat drijvend afval zich via bepaalde patronen over het water verdeelt.
De Wet van Archimedes heeft meer dan 2200 jaar het hoofd boven water weten te houden. Ieder schoolkind leert: "De opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof ondervindt is gelijk aan het gewicht van de verplaatste vloeistof." De Wet van Archimedes is de drijvende kracht -letterlijk- achter scheepvaart, zeppelins, luchtballonnen, duikboten en vissen. Maar nu schrijven fysici G. Falkovich en collega's van het Weizmann wetenschapsinstituut uit Israel en de Universiteit van Hull (Engeland) dat de Wet van Archimedes voor kleine drijvende deeltjes niet opgaat. Hun verhaal staat deze week in het wetenschapsblad Nature.
Wat Archimedes in zijn Eureka-moment over het hoofd zag, was de capillaire werking en de oppervlaktespanning van het water. Een klein (enkele tienden millimeter) waterafstotend teflonballetje bijvoorbeeld ligt hoger op het water dan een even zwaar, dus hol, wateraantrekkend glazen bolletje. De capilaire werking trekt het glazen bolletje de vloeistof in waardoor het meer vloeistof verplaatst dan zijn eigen gewicht. Bij het hydrofobe teflonballetje werkt het andersom: de afstoting zorgt dat het balletje hoog op het water blijft liggen zodat de waterverplaatsing minder is dan het eigen gewicht.
De fysici concluderen hieruit dat er een extra netto kracht in het spel is. In het geval van een wateraantrekkend (hydrofiel) balletje is die kracht omhoog gericht, bij een waterafstotende (hydrofoob) balletje is die kracht omlaag gericht. Immers, het hydrofobe bolletje ligt eigenlijk te hoog op het water. Het verschil tussen eigen gewicht en (kleinere) verplaatste watervolume vormt de neerwaarts gerichte netto kracht.
Leuk wordt het pas als de vloeistofspiegel waar de bolletjes op drijven niet waterpas loopt, maar schuin. Dat is het geval bij golven, maar ook bij een stilstaande meniscus. Denk aan de gebogen randen van een plasje water op een tafelblad. Een klein balletje van minder dan een millimeter groot beweegt zich op een statische vloeistofhelling naar beneden (hydrofoob) dan wel naar boven (hydrofiel) al naar gelang het materiaal.
Wanneer de vloeistofspiegel niet statisch is maar beweegt, zoals bij een golf dan verplaatsen de drijvende bolletjes zich naar de pieken en dalen van de golf wanneer ze waterafstotend zijn, en juist naar de stilstaande delen als ze wateraantrekkend zijn.
De onderzoekers deden hun experimenten met zogenaamde 'staande golven'. Dat zijn golfpatronen met vaste minima en maxima. De plaatsen met de grootste bewegingen (toppen en dalen) heten 'buiken', de plekken waar het water stilstaat worden 'knopen' genoemd. Uit experimenten bleek hydrofoob materiaal zich te verzamelen op de buiken en hydrofiele balletjes juist op de knopen.
Waarom dat zo is, kunnen de onderzoekers alleen met formules bewijzen. Het komt er op neer dat in een staande golf de neerwaartse kracht groter is wanneer de golf hol is, dan wanneer hij bol is. Het gevolg daarvan is dat het drijvende bolletje bij iedere trilling iets verder naar de diepte, dus het midden van de golf beweegt. Het glijdt ook terug van de bolle golf maar minder, zodat in twee tot twintig trillingen, afhankelijk van de golfhoogte, het teflonbolletje op de buik van de staande golf is beland.
Als toepassing denken de fysici aan de scheiding van drijvend materiaal. Ook verklaart hun verhaal waarom olie zich op de maxima van golven verzamelt en minder er tussenin.
Jos Wassink
G. Falkovich, A. Weinberg, P. Denissenko, S. Lukaschuk: "Floater clustering in a standing wave", Nature, Vol. 435, p. 1045, 23 juni 2005-06-21
http://noorderlicht.vpro.nl/artikelen/22899957/
:fparty: