Onderzoekers van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) hebben ontdekt dat voorwerpen die op golven drijven zich anders gedragen dan verwacht. Als een klein aantal voorwerpen op het wateroppervlak drijft, verzamelen deze objecten zich op plekken waar de golven pieken.
Een groot aantal drijvende voorwerpen verzamelt zich juist op locaties waar het water stilstaat. Deze vondst kan leiden tot nieuwe, efficiënte methoden om afval op zee op te ruimen. Het onderzoek is op 13 mei 2014 gepubliceerd in Physical Review E.
Drijvende voorwerpen zijn overal te vinden: van de belletjes in onze frisdrank tot aan de planten op het zeeoppervlak. We begrijpen de manier waarop voorwerpen drijven gedeeltelijk – de wet van Archimedes verklaart de opwaartse kracht op een voorwerp. Dit principe biedt echt geen verklaring voor horizontale verplaatsingen, en kan ons dus niet vertellen waarom de belletjes in een drankje naar de wand van een glas drijven, of hoe zeeplanten over de golven deinen.
Een klein aantal kralen zal naar de pieken van de golf (buiken) drijven.
Voormalig FOM-promovendus dr. Ceyda Sanli onderzocht dergelijke drijfbewegingen onder begeleiding van prof. dr. Detlef Lohse en prof. dr. Devaraj van der Meer van de Universiteit Twente. Sanli gebruikte voor haar onderzoek plastic kralen die op water drijven. In haar experiment vormde het wateroppervlak een staande golf: een stabiel golfpatroon met plekken waar het water stilstaat (knopen) en plaatsen waar het water piekt (buiken). Sanli verhoogde het aantal kralen op het wateroppervlak geleidelijk. Ze ontdekte dat wanneer een klein aantal kralen aanwezig is op het oppervlak, deze kralen naar de buiken drijven. Verrassend genoeg verandert dat gedrag wanneer het aantal kralen een bepaalde hoeveelheid overschrijdt: een groot aantal kralen drijft juist naar de knopen.
Een groot aantal kralen verzamelt zich op de stilstaande delen (knopen) van de golf.
Ademen
Dit vreemde gedrag is te wijten aan een fenomeen dat bekend staat als ‘ademen’. Door de periodieke golfbeweging in het water bewegen de kralen in de buiken naar elkaar toe en van elkaar af, alsof ze ademen. Door deze beweging ontstaat er ruimte tussen de kralen, waardoor hun potentiële energie toeneemt. Bij een klein aantal kralen is de verplaatsing door het ‘ademen’ klein, waardoor de potentiële energie maar weinig toeneemt.
Zijn er daarentegen veel kralen aanwezig, dan veroorzaakt de adembeweging een significante stijging in de potentiële energie. In dat geval is het voor de kralen energetisch voordelig om naar de knopen te bewegen. In de knopen ‘ademen’ de kralen niet, maar zijn ze dicht opeengepakt en schommelen ze zachtjes heen en weer, als een baby in een wieg. De potentiële energie is in dat geval laag.
Sanli zag dat de kralen zichzelf inderdaad spontaan verplaatsen om de laagste energie te realiseren. Met dit inzicht konden de onderzoekers de groepering rond knopen en buiken verklaren, en zelfs voorspellen bij welk aantal kralen het patroon omdraait.
Het succesvol verklaren van het drijfgedrag van de kralen in termen van energie en ‘ademen’ is een doorbraak. Volgens Sanli is deze methode ook te gebruiken bij het bestuderen van andere zelf-organiserende systemen, van biologische systemen (zoals hersennetwerken) tot zwermen (zoals vogelzwermen en mensenmassa’s).
De zee schoonmaken
De resultaten kunnen ook helpen om onzuiverheden uit een oppervlak van gesmolten metaal te halen, of om plastic verontreinigingen uit papierpulp te verwijderen. Een andere mogelijke toepassing is het schoonmaken van het zeeoppervlak.
Vervuiling van zeewater is een wereldwijd probleem dat een serieuze bedreiging vormt voor het zeeleven. Wetenschappers pogen effectieve en energiezuinige methoden te ontwikkelen om het zeeoppervlak te reinigen.
In dit project hebben de onderzoekers ontdekt dat drijvende deeltjes (zoals ook drijvend afval) zich op een georganiseerde manier verzamelen op oppervlaktegolven. Met deze kennis kunnen golven op het zeeoppervlak worden gemaakt die afvalclusters vormen, wat het opruimen ervan flink vergemakkelijkt. Het is zelfs mogelijk om verschillende soorten verontreiniging te scheiden, omdat verschillende voorwerpen op een golf in tegengestelde richtingen kunnen drijven.
Deze vondst kan leiden tot nieuwe, efficiënte methoden om afval op zee op te ruimen – http://t.co/FghOlmkKJG
— Gezondheidskrant (@Gezondheidskrnt) 14 mei 2014