Backwash: Een 140 jaar oud probleem heeft een onverwachte oplossing
Omgekeerde spray: Een 140 jaar oud natuurkundig mysterie heeft een onverwachte oplossing
Hoe draait de sprinkler om water te absorberen in plaats van uit te stoten? Lange tijd boden theorie noch ervaring een oplossing. Nu hebben wiskundigen ontdekt waarom niet.
© NYU Applied Mathematics Laboratory (details)
De klassieke sproeier roteert doordat de terugslagkrachten van de waterstraal aan de zijkant van de rotatie-as zijn geplaatst. Verrassend genoeg is dit precies hoe een omgekeerde sprinkler werkt.
In 1883 stelde de beroemde Oostenrijkse natuurkundige Ernst Mach een ogenschijnlijk eenvoudig probleem dat natuurkundigen al meer dan een eeuw bezighoudt. Wat gebeurt er als je de sproeier achteruit laat gaan? De klassieke sprinkler bestaat uit gebogen sproeiers die zich uitstrekken vanaf een roterende centrale as. Als er water door de leidingen naar buiten stroomt, zorgt de reflux ervoor dat het apparaat gaat draaien. Maar wat zou er gebeuren als je in plaats daarvan water via de poorten in het apparaat zou zuigen? Je denkt misschien dat het apparaat gewoon in de tegenovergestelde richting draait. Maar zo eenvoudig is het zeker niet: er is geen overtuigende theoretische rechtvaardiging hiervoor, en talloze experimenten hebben niet eens kunnen aantonen of het omgekeerde machinegeweer überhaupt draait.
Een team onder leiding van wiskundige Lev Ristrov van de Universiteit van New York lijkt nu echter een definitief antwoord te hebben gevonden – zowel praktisch als theoretisch. De werkgroep heeft nu gerapporteerd in het tijdschrift Physical Review Letters.De omgekeerde sprinkler draait in de tegenovergestelde richting, ongeveer 40 keer langzamer. Het verrassende: het fysieke mechanisme is precies hetzelfde als een gewone sprinkler.
Om de experimenten uit te voeren ontwierp het team een tweearmige sproeier met een roterende kop met bijzonder lage wrijving. Het werd ondergedompeld in een waterbad en liet water absorberen en observeerde op rotatie. Om te bewijzen dat de resulterende rotatie daadwerkelijk een permanent effect had en niet slechts een korte uitbarsting toen het apparaat werd ingeschakeld, werd het apparaat soms urenlang gebruikt. Bovendien werden bij sommige experimenten de mondstukken en daarmee de draairichting omgekeerd. Hieruit bleek dat het apparaat feitelijk een koppel genereert dat tegengesteld is aan dat van een normaal werkende sprinkler. maar hoe? Met behulp van kleurstoffen en kleine deeltjes die in water zweven, registreerde het team met een hogesnelheidscamera de stromingsomstandigheden in het waterbad en in het transparante apparaat. Het blijkt dat het cruciale proces zich in het apparaat afspeelt – en op een heel andere manier dan eerder werd aangenomen.
Als verklaring voor de veronderstelde omgekeerde circulatie hadden experts eerder bijvoorbeeld aangenomen dat er zich een draaikolk in de sprinkler vormde, of dat drukverschillen in het buigen van de sproeiers achter de resulterende kracht zaten. Maar in werkelijkheid, zo zegt het team van Ristroff, werkt een omgekeerde sprinkler heel anders, net als een gewone sprinkler. Deze roteert omdat de terugslagkrachten van de waterstraal werken op de zijde van de rotatie-as op de sprinklerkop. Dit is precies wat er gebeurt als je de stroom omkeert. De waterstralen in de sprinklerkop komen echter uit gebogen sproeiers.
De twee waterstralen ontmoeten elkaar precies in het midden, maar stromen door voorgebogen sproeiers. Bij deze veranderingen verandert de vorm van de stroming: het water aan de buitenkant van de bocht stroomt iets sneller. Daarom zijn de stralen in het midden, waar ze elkaar ontmoeten, niet langer symmetrisch, maar is het snellere deel ervan iets naar de zijkant van het midden verschoven. Er worden wederzijds gerichte terugslagkrachten uitgeoefend op tegenoverliggende zijden van de rotatie-as, waardoor de kop kan roteren, net als bij een gewone sprinkler. Maar terwijl bij een gewone sprinkler de terugslagkracht op een zeer lange hefboomarm inwerkt, stromen de waterstralen in een omgekeerde sprinkler rechtstreeks naar de as, zodat hun kleine asymmetrie slechts een klein koppel genereert – wat de langzame rotatie verklaart, en vooral de duidelijkste resultaten. Gevarieerd op basis van eerdere ervaringen.
Sta Javascript toe om de volledige functionaliteit van Spektrum.de te behouden.