Het is een veelvoorkomend zwembadspel:dwing een drijvende bal onder water en laat hem los. De bal springt naar de oppervlakte en springt de lucht in. Maar, dompel de bal dieper onder water en het effect valt vaak tegen. In tegenstelling tot onze intuïtie, het vergroten van de lossingsdiepte leidt vaak tot een verminderde pop-uphoogte.

Deze eenvoudige vraag over vloeistofdynamica houdt natuurkundigen al tientallen jaren bezig, maar een nieuwe studie gepubliceerd op 1 november in Fysieke beoordeling Vloeistoffen , biedt een nieuw perspectief op het fenomeen en kan onderwerpen verhelderen die verband houden met de dynamiek van wateruitgangen en oceaantechniek.

Een team van onderzoekers van de Utah State University, Dartmouth College en Brigham Young University gebruikten hogesnelheidsbeeldvorming en deeltjesbeeldsnelheidsmeting om te beschrijven waarom drijvende bollen die door een vloeistof opstijgen zich niet altijd gedragen zoals we verwachten.

"De hoogte van de pop-up hangt af van de snelheid van de bol op het punt waarop hij het vrije oppervlak doorbreekt, " zei hoofdonderzoeker en assistent-professor werktuigbouwkunde aan de USU, Tad Truscott. "Het maakt niet uit hoe diep de bal is wanneer hij wordt losgelaten. Er zijn een aantal factoren die de snelheid en baan beïnvloeden totdat deze de oppervlakte bereikt."

Tijdens het opstijgen, zog- en vortexstructuren vormen zich vaak rond de bol. Asymmetrische vortexafscheiding en zogformaties kunnen de opwaartse beweging van een bol veranderen en resulteren in een niet-lineair traject. De auteurs laten zien dat stijgende bollen meestal onder een van de twee versnellingscategorieën vallen:1) een verticaal regime, of 2) een oscillerend regime.

"Het verticale regime vertoont een bijna verticaal onderwatertraject en resulteert in de grootste pop-uphoogten, " legt Brenden Epps uit, assistent-professor engineering in Dartmouth en co-auteur van het onderzoek. "Het oscillerende regime vertoont een traject met periodieke zijwaartse bewegingen en resulteert in lagere pop-uphoogten. Soms kan de bal zelfs het oppervlak doorbreken en eroverheen scheren in plaats van in de lucht te stijgen."

Om het gedrag van de stijgende bol te testen, onderzoekers dompelden roestvrijstalen kogels op verschillende diepten onder in een testtank en hielden ze op hun plaats met behulp van een zuignap die was verbonden met een vacuümontgrendelingsmechanisme. Na voldoende wachttijd om het water tot rust te laten komen, de zuignap liet de bol los terwijl vier gesynchroniseerde hogesnelheidscamera's de beklimming registreerden.

In totaal, Er werden 664 tests uitgevoerd met vier ballen van verschillende diameters en lossingsdiepten. Zoals verwacht, de maximale pop-uphoogten traden op wanneer bollen uit ondiepe diepten werden losgelaten. De laagste pop-uphoogten deden zich voor wanneer bollen uit grotere diepten werden losgelaten.

Maar daar stopt het gesprek niet. Een deel van het pop-uphoogteprobleem hangt ook af van wat er met de bol gebeurt op het punt van oppervlaktebreuk.

"Zodra de bol het oppervlak vrijmaakt, de enige kracht die erop werkt is de zwaartekracht, " voegde Truscott toe. "Dus de pop-uphoogte wordt bepaald door een overdracht van kinetische energie naar potentiële energie van de bol nadat het oppervlak is vrijgemaakt. Echter, de snelheid (en dus kinetische energie) van de bol nadat deze het oppervlak heeft vrijgemaakt, wordt bepaald door zowel de snelheid waarmee het het oppervlak nadert (ingesteld door de onderwaterdynamiek) en de snelheidsverandering tijdens de doorbraak."

De auteurs zeggen dat hun onderzoek een breed scala aan toepassingen heeft. Een beter begrip van de dynamiek van waterafvoer, zij leggen uit, kan nuttig zijn in maritieme techniek en mariene biologie.

"Pinguïns verlaten het water na een jacht of om roofdieren te ontwijken, ", schrijven ze. "Er is een hypothese dat keizerspinguïns bellen gebruiken die tijdens het opstijgen uit hun veren komen om de weerstand te verminderen en de uitgangssnelheid en pop-uphoogte te vergroten. ... Andere belangrijke toepassingen van het pop-upeffect zijn onder meer het verlaten van voertuigen onder water, drijvende zeestructuren en golfenergieomzetters."