Leg een in de lengte doorgezaagde halve pijp in een luchtstroom en bij hoge snelheden doet zich ineens een onverwacht effect voor: de pijp krijgt lift. Deze ontdekking door Franse wetenschappers vraagt niet alleen om een nieuwe paragraaf in de studieboeken over aerodynamica, maar zou ook kunnen leiden tot een nieuw type mechanische klep.
De ontdekking, beschreven in het tijdschrift Physical Review Letters (‘Sharp Transition in the Lift Force of a Fluid Flowing Past Nonsymmetrical Obstacles: Evidence for a Lift Crisis in the Drag Crisis Regime’) is een voorbeeld van serendipiteit. Wetenschappers in Frankrijk deden onderzoek naar zeilboten en kwamen het effect bij toeval op het spoor. Ze maakten modellen van een spinnaker, het bolle zeil dat aan de voorkant van een zeilboot zit. In hun modellering zagen ze dat er onverwacht een opwaartse kracht optrad.
Holle buis
Dit móesten Patrick Bot van het Naval Academy Research Institute in Brest, Frankrijk, en collega’s verder uitzoeken. In simulaties plaatsten ze het deel van een holle buis dat in de lengte is afgezaagd, in een luchtstroom. Bij lage luchtsnelheid stroomt de lucht bovenlangs, via de bolle kant, waardoor de lucht de pijp naar beneden duwt. Maar als de luchtsnelheid wordt verhoogd en boven een bepaalde grens komt, krijgt het pijpdeel ineens lift, een omhoog gerichte kracht.
Vliegtuigvleugel
Hiervoor hebben de Fransen ook een verklaring gevonden. Bij lage luchtsnelheden gedraagt de lucht rond het pijpdeel zich net als bij een bal. Hij gaat om de bolle kant heen stromen en wordt op een gegeven moment turbulent. Maar als de lucht sneller gaat stromen, dan komt er een moment (bij een bepaald Reynoldsgetal) dat het stuk pijp zich als een vliegtuigvleugel gaat gedragen. Ineens gaat de lucht om het hele voorwerp stromen; zowel boven als onder. Door de bolle vorm stroomt de lucht boven sneller dan onder en de Wet van Bernoulli leert dat hierdoor de druk boven lager is dan onder: ziehier een kracht omhoog, ofwel lift, net als bij een vliegtuig.
De gewijzigde stroming is ook te zien aan het zog (een gebied met turbulente, kolkende lucht) dat achter het pijpdeel ontstaat. Bij lage snelheid van de lucht stroomt die vooral bovenlangs en wordt de stroming relatief vroeg turbulent. Bij hogere stroomsnelheid — en de vleugelwerking — blijft de luchtstroom boven langer laminair en is het zog veel kleiner.
Bak met water
De onderzoekers hebben het onverwachte effect vervolgens ook met experimenten bevestigd. Ze zetten een halve pijp in een bak met water en brachten sensoren aan die de krachten op het pijpdeel maten. Toen ze de stroomsnelheid opvoerden trad ook hier ineens een omslag op van de kracht op het voorwerp.
Om de stroming precies in beeld te brengen, mengden de Franse onderzoekers minuscule plastic balletjes in het water, die ze beschenen met lasers en volgden met geavanceerde camera’s. Op de beelden hiervan is te zien (zie openingsbeeld) dat bij hoge stroomsnelheid van het water het zog achter het pijpdeel een stuk kleiner is.
Schakelaar of stabilisator
Hoewel de ontdekking behoorlijk fundamenteel van aard is, zien de onderzoekers ook wel mogelijke toepassingen. De essentie is dat een voorwerp in een steeds sneller stromende gas- of vloeistofstroming ineens een tegengestelde kracht voelt. Dit zou kunnen leiden tot een eenvoudige schakelaar, waarmee het debiet van een pijp is te regelen. Met het systeem zou het misschien zelfs mogelijk worden om een vliegtuig of een onderwatervoertuig te stabiliseren.
Meer details zijn te lezen bij de nieuwssectie van Science: 'How to fly a pipe'.
Afbeelding: Bij lage stroomsnelheden heeft het pijpdeel een groot turbulent zog achter zich, wat een flinke remmende kracht veroorzaakt en een kracht omlaag. Gaat de stroomsnelheid omhoog, dan wordt het zog kleiner en gedraagt de halve buis zich meer als een vliegtuigvleugel. De netto kracht wijst nu omhoog. Bron: P. Bot et al., Physical Review Letters, 2016.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.