Wetenschappers van naam en faam hebben er hun zegje over gedaan. Maar nog altijd is veel onduidelijk over drijvende druppels.
Drijvende druppels in de buurt van Oudewater.
„Vrijdagmiddag 15 mei regende het een beetje en ik schepte water uit de sloot. Het viel mij op dat sommige regendruppels als pareltjes secondenlang op het water bleven drijven (zie de foto’s). Ik dacht direct: dit is iets voor de AW-rubriek. Wat veroorzaakt dit verschijnsel?”
Aldus lezer Kees E. die bij Oudewater woont. Zijn foto’s tonen slootwater waarop druppels drijven die zo groot zijn dat ze afgeplat raakten en het wateroppervlak indeukten. Aan de waterkringen verderop zie je dat het inderdaad regende toen ze werden gefotografeerd en dat de drijvende druppels zich nauwelijks of niet verplaatsten. Dat het druppels waren en geen belletjes blijkt uit hun typische lichtbreking. Belangrijk is de opmerking dat de ‘pareltjes’ secondenlang op het water bleven drijven.
Dat is een late bevestiging van een waarneming die de leraar wis- en natuurkunde Gerard Schol meer dan vijftig jaar geleden bij Drachten deed. Hij was aan het roeien, misschien wel op het Geaster Djip, en zag dat de druppels die van zijn roeispanen gleden geregeld als ‘schitterende edelstenen’ bleven drijven, soms wel 15 seconden lang. Schols waarneming haalde de rubriek ‘The Amateur Scientist’ van C.L. Stong in Scientific American (augustus 1973). Schol liet zien hoe je zelf drijvende druppeltjes kon opwekken en toonde aan dat ze gevoelig waren voor elektrische velden, zoals die van opgewreven glazen staven of ballonnen.
Inmiddels staan de druppels bekend als ‘floating droplets’, of ook wel ‘water boules’. Het proces dat ze ondergaan heet ‘delayed coalescence’, vertraagde samenvloeiing. Normale waterdruppels vloeien onmiddellijk samen met het water waarin ze terechtkomen.
De genoemde zoektermen voeren naar een zee aan publicaties over de druppels. Wetenschappers van naam en faam hebben er hun zegje over gedaan, in de negentiende eeuw had je al Lord Rayleigh (1879) en Osborne Reynolds (1881). Reynolds constateerde dat het fenomeen zich alleen voordeed op heel schone wateroppervlakken en veronderstelde de aanwezigheid van een luchtlaagje tussen druppel en wateroppervlak (ongeveer zoals bij het Leidenfrost-effect, zie wiki). Maar nog steeds is heel veel onduidelijk. De Journal of Unsolved Questions probeerde in 2019 met wat afsluitende hypotheses te komen, maar Taiwanese onderzoekers die snelle camera’s inzetten gooiden in hetzelfde jaar weer veel overhoop.
Wie de druppelliteratuur doorkijkt krijgt het gevoel dat er twee soorten druppels zijn te onderscheiden, al wordt dat zelden gedaan. Er zijn die dikke druppels zoals in Oudewater en Drachten die zich nauwelijks verplaatsen en tamelijk lang leven (meerdere seconden) en er zijn kleine druppeltjes die snel wegschieten en meestal maar een fractie van een seconde bestaan. Het lijkt niet waarschijnlijk dat ze op dezelfde manier overeind blijven.
De dikke druppels zoals in Oudewater verplaatsen zich nauwelijks.
De wetenschap is vooral geïnteresseerd in die kleine, snelle druppeltjes die het wateroppervlak niet zichtbaar indrukken. Dat zijn uitgerekend de druppeltjes die de oplettende amateur ook vaak tegenkomt, hij ziet ze als zilvervisjes voorbij flitsen op de vloer van de douchecel of de bodem van de gootsteen. Wie kletsnat wasgoed laat uitdruipen boven een aanrecht kan ze ook niet missen. Voorwaarde is dat er op de ontvangende oppervlakken, dankzij een zeker afschot, maar heel weinig water staat, anders vormen zich bellen en belletjes die het beeld verstoren. De liefhebbers van slow coffee zien de drijvende druppeltjes verschijnen als het koffiefilter aan het eind van het zetproces nog wat nadruppelt. Op hete thee waarin koude melk wordt geschonken zouden dezelfde druppeltjes ontstaan, maar dat viel niet te bevestigen. Moest het room zijn?
Voor het onderzoek aan de ‘floating droplets’ laat men druppels van minieme hoogte vallen in reservoirs waarbinnen het water maar een paar millimeter hoog staat. Daarbij wordt het lot van de druppels met allerlei optische apparatuur gevolgd. Er wordt geëxperimenteerd met wisselende valhoogte, met temperatuurverschillen tussen druppels en reservoir, met luchtdruk, luchtvochtigheid, oppervlaktespanning en noem maar op. In plaats van water wordt ook wel siliconenolie of hydraulische vloeistof gebruikt. De waargenomen ‘residence time’, de duur van het drijven, is steeds een belangrijke maat. Breng je het ontvangende reservoir in trilling, zoals Jearl Walker van ‘The Amateur Scientist’ deed (Scientific American, juni 1978), dan blijven de druppels onbeperkt lang drijven.
De door Reynolds veronderstelde luchtlaag blijkt er inderdaad te zijn en je zou kunnen zeggen dat de overlevingskansen van de druppels afhangen van de mate waarin zij die luchtlaag bij de inslag weten te verwerven en te behouden. Snelle camera’s (meer dan 1.000 frames per seconde) hebben aangetoond dat de kleine druppeltjes nog dynamischer zijn dan ze al lijken. Ze stuiteren over het wateroppervlak en als ze uiteindelijk samenvloeien met het reservoirwater gebeurt dat in een vreemd getrapt proces. Binnen de druppels bestaan heftige stromingen.
Hoe dit nu zit met die grotere druppels die van grotere hoogte in Oudewater en Drachten neerkwamen is onduidelijk. Er viel niet veel over te vinden. Of de aanwezigheid van een schoon wateroppervlak wel zo’n dwingende eis is, zoals Reynolds dacht, valt te bezien. Het moderne inzicht is dat wateroppervlakken eigenlijk nooit ‘schoon’ zijn, maar dat de meeste oppervlakken wat minder vuil zijn dan de gebieden die ‘slicks’ worden genoemd. Dat zijn de intrigerende stille plekken die vooral zichtbaar worden bij zachte regen of wind omdat ze de kleine waterrimpeltjes (capillaire golfjes) onderdrukken. Dat is het werk van de biosurfactants, oppervlakte-actieve stoffen van biologische oorsprong zoals uitscheidings- en verteringsproducten van algen. Ontstaan er binnen de slicks net zo makkelijk drijvende druppels als daarbuiten? Dat moet nu snel onderzocht worden. En dan mag de belangstelling verschuiven naar de slicks zelf, want daarover blijkt ook wonderlijk weinig bekend. Reageren de slicks bijvoorbeeld op wind, zoals Minnaert dacht, of op diepe stromingen? Later meer.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin