Je leest:

Sommige druppels vallen omhoog

Sommige druppels vallen omhoog

Auteur: | 5 juni 2003

Hoewel zo op het eerste gezicht lijkt dat alle druppels zich anders gedragen, is hun gedrag zeer voorspelbaar. A.M. Worthington, de Britse aartsvader van het druppelonderzoek, ontdekte al dat sommige druppels eerst nog omhoog komen alvorens ten onder te gaan.

“Zo weinig weten nog over vloeistoffen,” klaagde de beroemde Britse natuurkundige A.M. Worthington, “dat we alleen maar kunnen hopen dat het waarnemen van hun bewegingen niet alleen de nieuwsgierigheid bevredigt, maar ook ooit waardevol voor de wetenschap zal zijn.”

En Worthington, hoogleraar aan het Royal Naval Engineering College in Devonport, was nog wel een van de weinigen die althans íets van vloeistoffen afwist. Urenlang had hij onder een afdak in de regen gestaan. Daarbij vroeg hij zich af of er soms iets meer stak achter het chaotisch neervallen van regendruppels. Bijna alle druppels spatten hoog op in de plas die voor hem lag. Sommige lieten bellen achter die op het wateroppervlak bleven drijven. De meeste daarvan bleven slechts een seconde bestaan. Maar zo nu en dan was er ook een bel die langer leefde dan zijn soortgenoten. Een bel, die minutenlang heen en weer dreef tussen alle opspattingen – een soldaat, zigzaggend temidden van een bombardement.

Waarom ontstonden uit sommige opspattingen bellen en uit andere niet? Waarom leefde één bel in druppeljaren gerekend net zo lang als Methusalem, terwijl andere in minder dan een seconde verdwenen? Toen Worthington in de regen voor zich uit stond te staren, viel het hem op hoe de mensen kriskras door elkaar voor de stortbui weg probeerden te vluchten. Dát was een volkomen onvoorpelbaar patroon van voetstappen in de regen. De waterplas was daarentegen een veel eenvoudiger wereld. De patronen op het wateroppervlak – spatten, rimpels en bellen – ontstonden door regen in het resultaat van regen en werden vervolgens weer _verstoord_door regen.

Had iemand ooit tevoren al die patronen in kaart gebracht? Was er genoeg bekend over het neervallen van water om na te gaan hoeveel van het ontstane patroon kon worden voorspeld en hoeveel aan het toeval moest worden toegeschreven? Hier was tenminste iets dat het waard was te onderzoeken.

Toen Worthington in 1876 voor het eerst geïnteresseerd raakte in het neervallen van regendruppels was hij 24. Toen kreeg hij ook het lumineuze idee om het hele probleem te vereenvoudigen door de regen binnenshuis – in een laboratorium – na te bootsen. Allereerst moesten de verschillende grootten van de druppels kunnen worden nagemaakt. Dat ging het eenvoudigst door met een injectienaald water te spuiten op een beroet horlogeglas. Het vettige roet weerhield de druppels ervan aan het glas te gaan verkleven. Veel ingewikkelder was het apparaat dat er voor moest zorgen dat de druppels op het juiste moment in de kom met vloeistof zouden vallen. Met behulp van veren, hefboompjes en elektromagneten werd het horlogeglas op zijn plaats gehouden. Als Worthington een schakelaar bediende, werd het horlogeglas onder de druppel uitgetrokken, net zoals een valluik dat openklapt. Het druppeltje water leek voor een moment in de lucht te hangen en viel vervolgens in de kom met vloeistof eronder.

Regen in een waterplas. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.bron: Acalanes High School, Californië, USA

Eén van de eerste ontdekkingen was dat de plons die de druppel maakte, afhing van de afstand waarover hij viel. Hoe groter de val, des te harder kwam de druppel op het wateroppervlak terecht en des te meer spatte dit op. Hetzelfde verschijnsel trad op naarmate de druppels groter werden gemaakt.

Tot zover niet verwonderlijks. Maar wat Worthington tot zijn grote verbazing óók ontdekte, was dat elke plons een opeenvolging was van allerlei vreemde vormen en figuren. Mits de omstandigheden dezelfde waren, was elk daarvan telkens in dezelfde volgorde te zien. Dus als een tweede druppel van dezelfde afmeting en vanaf dezelfde hoogte vallend het wateroppervlak raakte, dan lag de plons en de vorm waarin het water opspatte altijd nauwkeurig vast.

Alle pogingen om het verschijnsel vast te leggen faalden “omdat fotografische platen die gevoelig genoeg waren voor extreem korte belichtingstijden ontbraken.” Maar Worthington stond er gelukkig om bekend nooit iets zomaar op te geven. Met behulp van een Leidse fles (een soort condensator) wist hij een heldere, kortdurende vonk op te wekken.

In 1894 ontstonden zo zijn eerste foto’s met een primitief, maar krachtig flitsapparaat. Ze werden gepubliceerd in twee geleerde verhandelingen voor de Royal Society en in het in 1908 verschenen, maar helaas nu zeer zeldzaam populair-wetenschappelijk boek A study of Splashes. Worthington voelde zich gewoon verplicht zijn bevindingen ook voor het grote publiek toegankelijk te maken.

Na het maken van honderden foto’s met bevroren bewegingen, was Worthington in staat dít beeld voor het nageslacht vast te leggen. Bij een val van 40 cm hoogte, ontstaat tweeduizendste van een seconde nadat een druppel het wateroppervlak raakt een plons met een kroon van kleine waterdruppeltjes rondom. Deze vorm is soms nét met het blote oog te zien, want blijft hooguit zes honderdsten van een seconde bestaan.

Op Worthingtons foto’s is het binnenste van de kroon vervuild door roetdeeltjes van het horlogeglas. “En hoewel dit in één opzicht een misvorming is,” schrijft hij in zijn boek, “is de aanwezigheid van het roet zeer veelbetekenend. Zij bewijst dat de oorspronkelijke vloeistof waaruit de druppel bestond nu de binnenkant van de kroon vormt. De buitenkant, die vrij is van roet, wordt uitsluitend gevormd door de vloeistof uit de kom. Deze rangschiking bepaalt de volgende fase van de plons.”

De ‘kroon’ die ontstaat nadat een waterdruppel het wateroppervlak heeft doorbroken. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.bron: Adam Hart-Davis

Binnen zes hondersten van een seconde begint de kroon ineen te storten en ontstaat een holte. Alle roet verzamelt zich in het midden van deze holte. Dáár verzamelt zich dus de vloeistof van de oorspronkelijke druppel en die veert vervolgens omhoog vanaf het wateroppervlak, terwijl ook wat vloeistof van de kom onhoog wordt getrokken in een lange kolom.

Er vormst zich dus een nieuwe druppel, die tegen de zwaartekracht in omhoog gaat. De kolom water is met het blote oog duidelijk zichtbaar, en is in feite de terugkaatsing van de druppel, waarbij het wateroppervlak als een trampoline is gebruikt. Dat het altijd de oorspronkelijke druppel is die omhoogkomt, kan iedereen nagaan door een druppel melk vanaf een lepel in een kop koffie te laten vallen.

De druppel die omhoog komt is altijd wit. soms is ook te zien hoe de druppel zich van de oprijzende kolom onder zich losmaakt. Als herboren hangt hij voor een kort moment stil boven de vloeistof, en valt dan opnieuw voor een tweede keer.

Onmiddellijk na het uiteenvallen van de kroon rijst de oorspronkelijke druppel omhoog, een kolom vloeistof met zich mee trekkend. Soms kan een deel van de druppel ook geheel loskomen. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.bron: Adam Hart-Davis

Dat is de karakteristieke volgorde van een neervallende drupel vanaf 40 cm hoogte. Als de druppel verder valt, bijvoorbeeld vanaf een hoogte van 1 m, verandert het verloop aanzienlijk. De druppel komt harder op het wateropervlak neer en de kroon wordt veel hoger opgeworpen. De wanden van de kroon worden daarbij zó hoog, dat ze niet zomaar naar opzij vallen, maar elkaar ontmoeten in het midden boven de inslagplaats.

Zij omsluiten een hoeveelheid lucht en vormen een bel die op het oppervlak drijft. De buitenkant van de bel is vloeistof uit de kom; de binnenkant is vloeitstof van de druppel, die snel langs de binnenwand naar beneden glijdt. Eenmaal teruggegleden weerkaatst die van het oppervlak en trekt ook een lange zuil vloeistof achter zich omhoog. Net zoals een kanonskogel die door het dak van een circustent wordt geschoten, breekt de weerkaatste druppel door de bel, en vernietigt deze nog geen zes honderdste seconde nadat hij is ontstaan.

Uit elkaar barstende waterbel. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.bron: Laboratoire des Collisions Atomiques et Moléculaires

Bij echte regen gaat het vaak om grote regendruppels, die bovendien vanaf grote hoogte vallen. En ook dit kon door Worthington worden nagebootst. Met een grote druppel en een valhoogte van 137 cm ontstonden telkens grote bellen met veel dikkere wanden. Als in die situatie de druppel weerkaatst en van beneden tegen de binnenwand van de bel botst, is deze dik genoeg om de schok te breken en scheurt niet open. Zo’n bel kan dus minutenlang blijven bestaan. In verhouding tot alle andere, kortdurende verschijnselen bij het neervallen van regendruppels zien we hier dus als het ware een monument.

Het genoegen dat iedereen kan beleven aan het nabootsen van, of in de praktijk waarnemen van Worthingtons neervallende regendruppels is bijna onbeschrijfelijk. Dat geldt ook letterlijk voor de hoeveelheid inkt die sinds 1908 is gebruikt om het fenomeen wiskundig te beschrijven. Wat Worthington openbaarde, waren immers nog maar regelmatige verschijnselen, zoals kronen, waterkolommen en terugkaatsende druppels. Daarnaast bestaan echter ook onregelmatige plonsverschijnselen in de vorm van pieken, watergordijnen, kwabben, en andere. Om orde in die chaos te scheppen is méér nodig dan het fotograferen van plonzen alleen.

Neem bijvoorbeeld de vorm van de regendruppel zelf. Bijna iedereen denkt dat een regendruppel de vorm van een traan heeft als hij valt: van beneden dik, met een langgerekte punt van boven. En toch zijn vallende regendruppels eerder afgeplat dan langgerekt. Deze vorm is het resultaat van een nauwkeurige balans tussen de werking van de zwaartekracht, de oppervlaktespanning langs de randen van de regendruppel én de druk van de lucht die langs de druppel stroomt. Regendrupels hebben niet de vorm van een traan zoals zo vaak wordt getekend.

Onlangs hebben laboratoriumproeven onthuld dat de vorm van een vallende druppel ook afhangt van zijn grootte. Kleine druppels motregen, met diameters vanminder dan 0,5 mm, zijn bijna geheel bolvormig. Druppels groter dan 5 mm zijn daarentegen afgeplat en vertonen aan hun onderkant ook een ingedeukt opervlak. Bij nog grotere druppels is de vergelijking met een broodje hamburger compleet.

Vallende waterdruppels. Geen ervan heeft de vorm van een traan. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.bron: Adam Hart-Davis

Ken Beard, een Amerikaanse meteoroloog verbonden aan de Illinois State Water Survey, en zijn collega David Johnson hebben – als een soort moderne Worthingtons – de regendruppels zélf tijdens hun val gefotografeerd. “Eigenlijk werden wij op het spoor gebracht door nachtelijke regenval,” vertelt Beard. “De druppels vertoonden zich toen als lange, maar onderbroken sporen.”

De verklaring bleek dat de druppels oscilleerden: nu eens van vorm veranderend tot bolvormig, dan weer tot afgeplat en aan de randen uitgestulpt. Licht, dat in een regendruppel valt, wordt ook weer naar buiten gebogen. Maar als de druppel heen en weer beweegt, gaat dat in verschillende richtingen. “Een waarnemer ziet het afgebogen licht dus met tussenpozen en dat veroorzaakt de illusie van onderbroken regensporen.”

Beard en Johnson vermoeden dat de oscillaties het gevolg zijn van botsingen tussen druppels onderling. Grote druppels vallen sneller en halen kleinere druppels motregen in. Bij botsingen trilt de nieuwe, samengesmolten regendruppel heen en weer. Uiteindelijk beïnvloedt deze trilling dus ook de plons, en mogelijk de onregelmatige vormen die daarmee samenhangen.

Tot zover alles over de waarnemingen van regendruppels. Leuk voor hogesnelheidsfotografie en leuk voor natuurkundigen die ermee kunnen experimenteren. Maar heeft het druppelonderzoek ook praktisch nut? In de forensische wetenschap worden de experimenten van Worthington gebruikt voor de oplossing van ernstige misdrijven met name waar het gaat om de sporen van bloedspatten. In het milieuonderzoek speelt het onderzoek naar opspattende druppels een rol omdat op die manier druppeltjes pesticiden door de wind worden voortgeblazen en de omgeving gaan vervuilen.

Elke keer als een regendruppel in zee valt, ontstaan ook waterkolommetjes en barstende bellen en worden de druppeltjes daarvan door de wind meegevoerd. Als die verdampen ontstaan zoutkristalletjes. Naar schatting komt zo jaarlijks 2 miljard ton zout in de atmosfeer.

Misschien hebben we ons hele bestaan wel te danken aan vallende druppels. Zo weten we uit experimenten waarin de oeratmosfeer van de aarde werd nagebootst dat aminozuren en andere bouwstenen voor het leven ontstonden bij bliksemontladingen. In de zeeën en oceanen vormde zich een oersoep, waarin zich later voorlopers van cellen ontwikkelden.

Een druppel onder water. Onderwaterdruppels kunnen zelfs in zuiver water al minutenlang blijven bestaan. Dit komt door een ‘dubbelvlies’ van ingesloten lucht. Op het moment dat het wateroppervlak wordt doorbroken, raakt er lucht bekneld tussen de druppel en de omringende vloeistof. Dat luchtlaagje is minder dan een millimeter dik. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.bron: US Filter

Die protocellen of ‘protenoïde microsferen’ zouden kunnen zijn ontstaan door druppels, die na hun val in het water door een olieachtig laagje werden omringd en zo een soort celwand vormden die hun inhoud beschermde. De Amerikaanse biochemicus Sydney Fox nam in 1965 al waar hoe sommige van dit soort bolletjes (al maakte hij ze op een andere manier), als ze te groot werden in twee kleinere druppels uiteenvielen. Dat lijkt opmerkelijk veel op het delingsproces waardoor micro-organismen zich voortplanten.

Zulke ‘zich delende’ microbolletjes zijn in 3,4 miljard jaar oude aardlagen bij Barberton in Zuid-Afrika aangetroffen. Een echte celkern bezaten ze nog niet. Maar die kern wordt óók niet aangetroffen in 3,2 miljard jaar oude blauwgroene algen, die eveneens in Zuid-Afrikaanse gesteenten zijn ontdekt. Hun genetisch materiaal dreef los rond in de cel. We weten dat deze eencellige algen later kolonies zijn gaan vormen en dat daaruit tenslotte, 600 miljoen jaar geleden, de eerste meercellige organismen zijn voortgekomen. Vanaf dat tijdstip konden zich gespecialiseerde organen ontwikkelen, en veroverde het leven de aarde.

Dit artikel is een publicatie van Astronet.
© Astronet, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 juni 2003
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.