Wanneer een druppel koffie het vloeistofoppervlak in het kopje raakt, een karakteristieke toren van koffievormen voor een zeer korte tijd, soms zelfs met een nieuwe druppel erop. In een krant die verscheen in Fysieke beoordeling Vloeistoffen vandaag, een team van onderzoekers uit Amsterdam, Delft en Parijs werpen nieuw licht op dit ingewikkelde effect.

Het effect van straalvorming is niet specifiek voor koffie:hetzelfde effect kan bijvoorbeeld worden waargenomen wanneer een regendruppel een vijver raakt. Wanneer in plaats van koffie, een druppel melk valt op een koffieoppervlak, een ander interessant effect wordt waargenomen:de vloeistoftoren zal grotendeels wit zijn. Dat is, het is niet de koffie die naar boven spat, het is de melk die 'terugkaatst'.

Niet alleen zwaartekracht

Cees van Rijn, hoofdauteur van de nieuwe publicatie, zegt:"Een ruwe verklaring voor het straalvormende effect is al lang bekend. Wanneer een druppel het vloeistofoppervlak raakt, het oppervlak kan een tijdelijke 'inslagkrater' krijgen. het kan nergens anders heen dan omhoog, dat is hoe de jet zich vormt."

Echter, ondanks meer dan een eeuw onderzoek, de precieze details van het proces waren nog onduidelijk. Vooral, het begrijpen van de variërende snelheid waarmee de jet omhoog beweegt, was een beetje een raadsel. Toen de onderzoekers verschillende vloeistoffen onderzochten met laserlicht en snelle camera's, ze ontdekten dat vlak na de vorming, de snelheid in de jets vertraagt ​​​​met een ongelooflijke snelheid. Van Rijn:"Je zou verwachten dat de belangrijkste reden dat de straal langzamer gaat, is dat de zwaartekracht de vloeistof naar beneden trekt. zagen we dat vlak na de vorming, de vertraging kan vijf tot zelfs twintig keer sterker zijn dan alleen door de zwaartekracht kan worden verklaard."

Een model construeren

De onderzoekers vermoedden dat de belangrijkste factor die verantwoordelijk was voor deze extreme vertraging de oppervlaktespanning van de vloeistof was - hetzelfde type spanning waardoor zeepbellen kunnen ontstaan. De buitenste vloeistoflaag op de toren werkt op dezelfde manier als zo'n bel, en zijn kromming dwingt de jet om te vertragen en uiteindelijk samen te trekken - veel sneller dan je zou verwachten op basis van de zwaartekracht alleen. Van Rijn vult aan:“Het effect is het sterkst als de straal net is gevormd. Tegen de tijd dat de vloeistof het hoogste punt heeft bereikt, de situatie is in wezen weer normaal:de vloeistof valt terug met maximaal twee keer de versnelling veroorzaakt door de zwaartekracht, en heeft zijn laatste beetje extra versnelling verloren als het oppervlak weer wordt bereikt. Het hele ingewikkelde proces vindt plaats in ongeveer een tiende van een seconde."

Met deze uitleg in het achterhoofd, de natuurkundigen gingen op zoek naar een wiskundig model om de straalvorming te beschrijven. Het model maakte gebruik van een andere verrassende eigenschap van de jets:ze zien er altijd ongeveer hetzelfde uit - de hoogte en breedte van de jet variëren in de tijd, maar verder verandert de vorm niet. Deze eigenschap van 'zelfgelijkenis' stelde de onderzoekers in staat een zeer nauwkeurig model te maken, die in vergelijking met metingen op verschillende vloeistoffen zoals water, ethanol en een mengsel van water en glycerol, kwam heel precies overeen met alle waarnemingen.

Naar de ruimte

De natuurkundigen denken al na over de volgende stap in hun programma - in feite, ze overwegen om de experimenten de ruimte in te nemen. Van Rijn:"Het zou heel leuk zijn om de zwaartekracht volledig los te laten en alleen de rol van oppervlaktespanning te begrijpen. We zouden graag onze volgende reeks experimenten in het internationale ruimtestation ISS doen om te zien wat er precies gebeurt in een zwaartekrachtvrije omgeving ."