Hij loste een 127 jaar oud natuurkundig probleem op papier op en bewees dat niet-gecentreerde bootkielzog kon bestaan. Vijf jaar later, praktische experimenten gaven hem gelijk.

"Het zien van de foto's op het computerscherm was de beste dag op het werk die ik ooit heb gehad, " zegt Simen Ådnøy Ellingsen, een universitair hoofddocent bij NTNU's Department of Energy and Process Engineering.

Dat was de dag dat Ph.D. kandidaat Benjamin Keeler Smeltzer en masterstudent Eirik Æsøy hadden in het lab laten zien dat Ellingsen gelijk had en stuurden hem de foto's van het experiment. Vijf jaar geleden, Ellingsen had vanaf 1887 geaccepteerde kennis ter discussie gesteld, gewapend met pen en papier, en gewonnen.

Hij loste een probleem op met betrekking tot de zogenaamde Kelvinangle in bootkielzog, die al 127 jaar onbetwist is. De bootkielzog is het v-vormige patroon dat een boot of kano maakt wanneer hij zich door het water voortbeweegt. Je hebt er ongetwijfeld ooit een gezien.

39 graden

Lange tijd werd aangenomen dat de hoek van het v-vormige kielzog achter een boot altijd net onder de 39 graden zou moeten zijn, zolang het water niet te ondiep is. Of het nu achter een supertanker of een eend is, dit moet altijd waar zijn. Of niet. Want zoals zoveel geaccepteerde feiten, dit blijkt niet te kloppen, of in ieder geval niet altijd het geval. Ellingsen liet dit zien.

"Voor mij, het was een totaal nieuw veld, en niemand vertelde me dat het moeilijk was, " legde Ellingsen uit toen hij zijn ontdekking voor het eerst deed.

Bootkielzog kan onder bepaalde omstandigheden zelfs een heel andere hoek hebben, en kan zelfs niet gecentreerd zijn ten opzichte van de richting van de boot. Dit kan gebeuren wanneer er verschillende stromingen zijn in verschillende waterlagen, bekend als schuifstroom. Voor schuifstroom, Kelvin's theorie over bootkielzog is niet van toepassing.

"Het vergde het genie van mensen als Cauchy, Poisson en Kelvin om deze golfproblemen voor het eerst op te lossen, zelfs voor het eenvoudigste geval van stilstaand water zonder stroming. Het is veel gemakkelijker voor ons om de meer algemene gevallen later te achterhalen, zoals we hier hebben gedaan, ’ legt Ellingsen uit.

Langwerpige ringen

Ringgolven gedragen zich onder bepaalde omstandigheden ook grappig. Als je op een rustige zomerdag een kiezelsteen in een meer gooit, het golfpatroon zal perfect zijn, concentrische cirkels. Maar niet als er schuifstroom is. Vervolgens, de ringen kunnen in ovalen veranderen. Ellingsen voorspelde dit ook, uitbreiding van de theorie van Cauchy en Poisson uit 1815.

"Nadat ik de eerste berekeningen had gedaan, Ik was op een strand in Nederland en zag het water terugstromen na een golf. Ik heb wat ringen in het water gemaakt en wat foto's gemaakt. Als je ze later bekijkt, de ringen leken me langwerpig, en ik werd behoorlijk opgewonden. Dat was geen wetenschap, natuurlijk, maar nu is het zo!" zegt Ellingsen.

Labonderzoek ondersteunt berekeningen

Zo kwam Ellingsen op de cover van de Journal of Fluid Mechanics . Maar al zijn berekeningen waren op papier gedaan, en moest nog empirisch worden waargenomen.

Nutsvoorzieningen, echter, er is laboratoriumonderzoek om zijn werk te ondersteunen, dankzij de Ph.D. kandidaat en masterstudent die experimenten hebben kunnen uitvoeren in een speciaal daarvoor ontwikkelde onderzoekstank, met Ellingsen als hun supervisor.

Eirik Æsøy heeft een achtergrond als technicus, wat tijd en geld bespaarde bij het bouwen van het lab. Het duurde ongeveer zes maanden om alles op de rails te krijgen.

"Æsøy en ik hebben alle apparatuur opgesteld om de stroming te creëren die we nodig hadden, " legt Smeltzer uit. Hun resultaten zijn ook gepubliceerd in de Journal of Fluid Mechanics .

"Het is vrij opmerkelijk dat de experimenten van ons kleine golfbassin daar worden gepubliceerd, ’ zegt Smelzer.

Praktische toepassingen

De resultaten van hun onderzoek naar de Kelvin-hoek kunnen echte praktische gevolgen hebben, zoals het potentieel helpen verminderen van het brandstofverbruik in schepen. Een groot deel van de brandstof op schepen gaat eigenlijk naar het maken van golven.

"Het brandstofverbruik kan verdubbelen als het schip stroomafwaarts vaart in vergelijking met stroomopwaarts, ' zei Ellingsen.

Deze berekeningen zijn gemaakt op basis van stromingen aan de monding van de Columbia River in Oregon in de VS. Hier zijn de stromingen sterk en de boten veel.

Onderzoek naar boten en schepen in verschillende stromingen is dus belangrijk voor iedereen die geïnteresseerd is in het verminderen van het brandstofverbruik en bijgevolg uitstoot.

Boot kielzog voor de boot

Ellingsen houdt vol dat hun resultaten de theorie van Kelvin niet weerleggen, alleen verlengen. De hoek van Kelvin geldt nog steeds zolang er geen stroomlagen onder het oppervlak zijn als het water diep is.

Maar zodra er beweging is tussen waterlagen, zodat verschillende lagen met verschillende snelheden bewegen, de hoek verandert. Soms met veel. In theorie, met extreem sterke stromingen die loodrecht op de richting van de boot bewegen, het kielzog kan eigenlijk aan één kant voor de boot terecht komen.

"Dan moet je waarschijnlijk ergens anders gaan zeilen, ’ zegt Ellingsen.