Natuurkundigen zetten de scheepvaart op z’n kop: aan de onderkant van een zwevende vloeistoflaag hebben ze een modelbootje ondersteboven laten drijven.
Het glas is altijd halfvol, maar het is nooit alleen de bovenste helft die gevuld is. Een vloeistoflaag boven een luchtlaag valt immers meteen naar beneden. Maar wanneer je het glas hard genoeg op en neer schudt, kun je toch een laagje water laten zweven. En als je wilt, kan er zelfs een schijfje citroen aan de onderkant van die waterlaag drijven.
Vier Parijse wetenschappers hebben namelijk een modelbootje onder zo’n zwevende vloeistoflaag laten dobberen. Ze vulden een bak met glycerol of siliconenolie – allebei nogal stroperige vloeistoffen. Vervolgens schudden ze met een apparaat de bak razendsnel op en neer: minstens tachtig keer per seconde.
Tijdens het schudden injecteerden de wetenschappers luchtbellen in de vloeistof. Die luchtbellen maakten ze steeds groter, totdat er een luchtlaag was gevormd die twee vloeistoflagen volledig van elkaar scheidde. Zo creëerden ze een zwevende laag van een halve liter vloeistof.
Zo’n zweefvloeistof was al eerder gecreëerd. De Parijzenaren hebben nu aangetoond dat aan de onderkant van zo’n laag lichte voorwerpen kunnen blijven drijven. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature.
Instabiel
Gewoonlijk blijft een bootje drijven doordat de zwaartekracht en de drijfkracht in balans zijn. De zwaartekracht duwt het bootje omlaag, de drijfkracht duwt het net zo hard omhoog.
Onder de zwevende vloeistoflaag lijkt het net alsof de twee krachten van richting zijn gewisseld: de zwaartekracht lijkt het bootje omhoog te duwen, tegen de vloeistof aan, en de drijfkracht naar beneden. Maar eigenlijk werkt de zwaartekracht hier ook gewoon naar beneden, en gek genoeg duwt de drijfkracht het bootje nog steeds omhoog – in dit geval dus naar de vloeistof toe, in plaats van er vanaf.
Het grote verschil met het bootje boven de vloeistoflaag is dat het krachtenevenwicht aan de onderkant instabiel is. Als het bootje een beetje te laag komt, laat de zwaartekracht hem naar beneden donderen. Komt het wat te hoog, dan duwt de drijfkracht het dwars door de vloeistof naar boven.
Het snelle schudden van de bak zorgt echter voor wat stabiliteit. Doordat de bak steeds op en neer versnelt, ontstaat er een kracht die afwisselend omhoog en omlaag gericht is. Die kracht werkt op zowel de vloeistof als het bootje.
Door de trilling wisselen de krachten omhoog en omlaag elkaar snel genoeg af om geen grote verstoringen te veroorzaken. Daardoor blijft totale krachtenspel redelijk in balans en kan een voorwerp van een paar gram zwaar aan de onderkant van de vloeistoflaag blijven drijven.
Nautische curiositeit
Volgens Vladislav Sorokin van de Universiteit van Auckland in Nieuw-Zeeland en Iliya Blekhman van de Russische Academie der Wetenschappen is het omgekeerde modelbootje meer dan een nautische curiositeit. ‘Dit soort fenomenen hebben veel mogelijke praktische toepassingen, bijvoorbeeld in systemen met gasbellen in vloeistoffen, of bij het verwijderen van materiaal uit vloeistoffen, zoals in de behandeling van afvalwater’, schrijven ze in een begeleidend News & Views-artikel in Nature.
Ook ziet het tweetal toepassingen in andere vakgebieden. ‘Het wordt spannend om te ontdekken wat voor tegenintuïtieve verschijnselen worden opgewekt door snelle trillingen in niet-mechanische systemen. Is er een scheikundige of biologische tegenhanger van omgekeerde zwaartekracht?’
Eureka
In het onderzoek speelt de drijfkracht een belangrijke rol. Deze kracht is voor het eerst beschreven door de Griekse wetenschapper Archimedes, voortbordurend op zijn beroemde inzicht over het onderdompelen van een voorwerp.
Volgens de legende moest Archimedes vaststellen of een kroon die koning Hiëro had laten maken wel van puur goud was. Hiervoor moest hij het volume van de kroon bepalen zonder die kapot te maken. Dit deed hij door de kroon in een bak met water te doen en te kijken hoeveel het waterpeil steeg.
Naar verluidt bedacht Archimedes deze oplossing terwijl hij in bad stapte. Hij was toen zo blij, dat hij het bad uit sprong en naakt over straat rennend ‘Eureka!’ riep, Grieks voor ‘Ik heb het gevonden!’.
