Bellen blazen zonder vuiltjes

Promotieonderzoek beslaat vele jaren met talloze hoogte- en dieptepunten. De luchtbellen van Antoine de Vries gedroegen zich anders dan andere omdat ze in zeer schoon water bewogen....

AL ruim een eeuw bestuderen natuurkundigen belletjes. Hoe ontstaan ze in water, hoe plakken vaste deeltjes eraan vast, wat gebeurt er als luchtbellen een wand raken of elkaar naderen?

Het bellenonderzoek is zowel fundamenteel van karakter als toegepast. Veel industrieën hebben immers te maken met vloeistoffen die door pijpen en leidingen stromen en waarin belletjes kunnen ontstaan.

Ir. Antoine de Vries moet echter niets hebben van toegepast onderzoek. Hoewel de 28-jarige stromingsdeskundige komende donderdag promoveert in een bij uitstek 'toegepaste' omgeving - de vakgroep Technische Stromingsleer van de Universiteit Twente - wist hij zijn onderzoeksonderwerp verre te houden van een mogelijke toepassing.

'De universiteit verloedert steeds meer. Steeds vaker betaalt de industrie vakgroepen om even snel iets uit te zoeken. Voor het zoeken naar wetenschappelijke fundamenten is steeds minder plaats. Als was gebleken dat mijn onderzoek een directe toepassing zou hebben gehad, was ik er direct mee gestopt', zegt de promovendus stellig. 'Maar gelukkig zijn vooral wetenschappers geïnteresseerd in het exacte pad dat een opstijgende luchtbel in water volgt.'

Waarom, zo vroeg De Vries zich af, gaat een luchtbel die opstijgt vanaf de bodem van een bak met water, na een bepaald ogenblik niet meer recht omhoog maar in een zigzag of een spiraal? En vanaf welk moment gebeurt dat? Om daarvoor gecontroleerde experimenten te kunnen doen, had De Vries heel schoon water nodig.

'Als er vuil of verontreinigende moleculen in het water zitten, plakken die vast aan de luchtbel. Slechts enkele van die verontreinigende deeltjes zijn al voldoende om het gedrag van de bel te veranderen.'

Schoon water maakte De Vries door gewoon water in drie stappen te filteren zodat alle ionen en andere deeltjes worden verwijderd.

'Het water moet zeer schoon zijn, maar ook weer niet extreem schoon. Er is een soort drempelwaarde van vervuiling - kom je daarboven, dan verandert het gedrag van de opstijgende bel plotseling. Ik moet bijvoorbeeld niet over het water heen blazen, want het koolzuurgas uit mijn adem dat het water opneemt, heeft al invloed.'

In feite was de proefopstelling van De Vries eenvoudig. Een afgedekte glazen bak water van vijftien bij vijftien centimeter en vijftig centimeter hoog. Onderin een capillair waaruit luchtbellen van verschillende grootte op subtiele en gecontroleerde wijze kunnen worden losgelaten. Een felle lamp verlicht de opstijgende luchtbel, die binnen twee seconden boven is. Een high speed videocamera registreert de baan van de bel, die vervolgens met een computer wordt geanalyseerd.

De Vries: 'Niemand heeft experimenten gedaan met zulk schoon water. Het kost me iedere keer een week of drie om alles zo schoon te krijgen. Niet alleen de bak, ook alle slangetjes en capillairen. Ooit bleek na een hele tijd piekeren dat bepaalde problemen die ik had, veroorzaakt werden doordat weekmakers vanuit een flexibele plastic slang het water verontreinigden.'

De Vries wilde niet alleen weten hoe een bel omhoog stijgt, hij wilde ook het zog zichtbaar maken, de wervelingen achter de opstijgende bel, vergelijkbaar met de wervelingen achter een varende boot. Andere onderzoekers deden dat door kleurstoffen of deeltjes aan het water toe te voegen, maar De Vries bedacht dat dat het gedrag van de bel zou beïnvloeden. 'Als je verontreinigingen toevoegt, gaat de stijgsnelheid op een bepaald moment opeens met een factor twee omlaag.'

Zijn observaties bij het koken van water brachten De Vries het gouden idee. 'Als je water verwarmt, zie je vaak strepen doordat warm water van de bodem zich vermengt met kouder water bovenin. Zo wordt stroming zichtbaar. Als ik in mijn opstelling een warmtelamp gebruik, waardoor er een warmtegradiënt van boven naar beneden van slechts enkele graden ontstaat, sleept een opstijgende luchtbel kouder water met zich mee. Dan ontstaan er ook strepen die het zog zichtbaar maken.' De warmtegradiënt bleek geen invloed van betekenis te hebben op het gedrag van de luchtbel in het water, alleen de stijgsnelheid nam met 7 procent toe. Bellen kleiner dan 1,62 millimeter stijgen recht op. Zijn ze groter, dan beginnen ze na ongeveer drie centimeter te zigzaggen of te spiraliseren. Vanaf dat moment gaan ze snel genoeg om ook zijwaarts te kunnen gaan.

De Vries: 'Die eerste drie centimeter slepen de bellen een enkele draad zog achter zich aan. Op het moment dat ze zijwaarts afbuigen, ontstaat er een dubbel zog. Dat zie je ook bij vliegtuigen aan de tip van hun vleugels. Die wervelingen geven lift aan vliegtuig en luchtbel. Dat dubbele zog treedt alleen op als de baan van de luchtbel krom is.'

De Vries' belangrijkste ontdekking was dat de zigzaggende bellen niet in een zaagtand naar boven gaan, maar langs afgeronde hoeken. Bovendien blijkt het zog op het draaipunt zich om te draaien en zelfs even enkel te worden. Zijn ontdekking veroorzaakte ongeloof en opwinding in het bellenwereldje.

'Mijn bellen doen iets anders dan die van anderen. Die volgen hetzelfde patroon als lichte opstijgende vaste bolletjes, namelijk een perfecte zaagtand zonder ronde hoeken en met een ander zog. Dat komt omdat de onderzoekers geen schoon water gebruiken. Het oppervlak van zo'n met deeltjes vervuilde luchtbel gedraagt zich als een vast oppervlak.'

Het kostte De Vries een jaar voor hij een systeem had ontwikkeld waarmee hij het zog zichtbaar kon maken en nog eens vele honderden experimenten, met diverse belgrootten en verschillende condities, voor hij durfde te stellen dat iedereen het tot nu toe verkeerd had gedaan.

'Ik moest ook mijn prof overtuigen. In het begin was de wereld geschokt', zegt de promovendus. 'Maar nu gebruiken ook anderen deze proefopstelling.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden