Als je water uit een fles giet, zal de vloeistofstroom vaak een kettingachtige structuur aannemen. Over de natuurkunde achter dit merkwaardige fenomeen wordt al meer dan een eeuw fel gedebatteerd, maar nu is dit mysterie misschien opgelost door experimenten uitgevoerd door Antoine Deblais, Daniel Bonn en Daniel Jordan aan de Universiteit van Amsterdam en Neil Ribe aan de Universiteit van Paris-Saclay.
Wanneer een vloeistofstraal uit een niet-cirkelvormig mondstuk druppelt, kan deze een golf vormen van brede, afgeplatte en gelijkmatig verdeelde vloeistofsecties die afwisselend onder een hoek van 90° ten opzichte van elkaar zijn georiënteerd. Deze secties worden gescheiden door dunnere vloeistofdeeltjes, waardoor de structuur op een ketting lijkt (zie figuur).
De kern van het effect is het niet-cilindrische profiel van de straal wanneer deze naar buiten komt. Om de oppervlaktespanning te minimaliseren probeert de straal een cilinder te worden, maar deze beweging schiet voorbij en resulteert in een oscillatie in de profielvorm.
Er bestaat echter al lang een meningsverschil tussen twee theorieën die beschrijven hoe deze oscillaties optreden. Eén theorie werd in 1879 naar voren gebracht door Lord Rayleigh, en deze werd vervolgens in 1909 gewijzigd door Niels Bohr. Rayleighs theorie beschrijft de oscillatie als een lineair effect, terwijl de theorie van Bohr niet-lineaire effecten introduceert die de frequentie van de oscillaties verlagen naarmate hun amplitude toeneemt.
Bohr wint
Tot nu toe hebben geen enkele experiment bepaald welke van deze theorieën een nauwkeuriger beschrijving biedt. Om dit probleem op te lossen ontwierp het team van Deblais een serie van twaalf elliptische mondstukken met verschillende afmetingen en excentriciteiten. Vervolgens maten ze zowel de frequenties als de amplitudes van de kettingstructuren die ontstonden toen ze water met verschillende stroomsnelheden door de mondstukken goten. Hoewel de patronen die ze observeerden enigszins niet overeenkwamen met de voorspellingen van Rayleigh, kwamen ze sterker overeen met de theorie van Bohr.
Verborgen patronen gevonden op het wateroppervlak
Op basis van hun resultaten construeerden Deblais en collega's numerieke simulaties van oscillaties van vloeibare ketens – opnieuw, waarbij ze een sterke overeenkomst vonden met de voorspellingen van Bohr. Hun resultaten helpen ook verklaren waarom het oppervlak van elke straal tijdens hun experimenten putjes kreeg – nog een interessant kenmerk van alledaagse waterstralen. Het team hoopt nu de experimenten en simulaties uit te breiden naar andere vloeistoffen dan water, evenals mondstukken met complexere vormen.
Nu er een basistheorie is vastgesteld, kunnen toekomstige experimenten nuttige inzichten bieden in een breed scala aan toepassingen waarbij vloeistoffen worden afgevuurd uit elliptische spuitmonden, waaronder inkjetprinten en metallurgie. Verder onderzoek zou ook kunnen leiden tot nieuwe technieken om de verbrandingsefficiëntie te verbeteren, geluid te onderdrukken of de controle over stuwraketten te verbeteren. Elders zouden de bevindingen onderzoekers kunnen helpen de opkomst en mogelijke behandeling van bepaalde medische problemen, waaronder urologische ziekten, beter te begrijpen.
Het onderzoek is beschreven in Physical Review Fluids.
