8 nov. 2021
2 minuten
Een paar milliseconden voordat een terugkerende ruimtecapsule – of welk voorwerp dan ook – in het water valt, ‘ziet’ het water het al aankomen. Het wateroppervlak neemt de vorm aan van de bodem van het vallende voorwerp als de luchtlaag die tussen het voorwerp en het water opgesloten zit, naar buiten wordt geperst. UT-onderzoekers publiceerden drie artikelen over dit ‘airushioning effect’, dat ingenieurs kunnen gebruiken de bodem van een ruimteschip zo vormen dat de schade door impact bij een landing op het water afneemt.
De artikelen Air-cushioning effect and Kelvin-Helmholtz instability before the slamming of a disk on water en Air entrapment and its effect on pressure impulses in the slamming of a flat disc on water zijn gepubliceerd in Physical Review Fluids en Journal of Fluid Mechanics. De meettechniek Total-internal-reflection deflectometry is gepubliceerd in Experiments in Fluids.
Wanneer je met je hand op water slaat, kan je wat lucht onder water vangen. Hetzelfde gebeurt wanneer een voorwerp in het water valt, of het nu een duiker of een paracetamol-tablet is. Wanneer het voorwerp het water nadert, moet de lucht onder het voorwerp zich uit de weg ruimen. Dit gebeurt niet direct, maar vindt plaats in de paar milliseconden voorafgaand aan het moment van inslag. Het resultaat is dat een luchtfilm volledig opgesloten raakt onder het voorwerp.
Dit luchtkussen beïnvloedt de belasting van de inslag op het vallende voorwerp. Het kan als een kussen dienen en de val verzachten, maar de ingesloten lucht kan ook de duur van de belasting verlengen en daarmee extra schade veroorzaken. Om de effecten van deze demping volledig te begrijpen, onderzochten Utkarsh Jain en Devaraj van der Meer het luchtkusseneffect van een voorwerp dat in water valt tot in detail.
Met hun metingen konden ze een schatting maken van de begindikte van zo’n ingesloten luchtlaag onder een vallende schijf. Ze lieten zelfs zien dat de dikte van zo’n luchtlaag kan worden geschat met relatief goedkope simulaties. In een andere publicatie lieten ze zien dat zo’n luchtlaag inderdaad als ‘kussen’ dient, waardoor de botsimpuls wordt verminderd in het gebied waar de luchtlaag het dikst is.
De ingewikkelde luchtdynamica voorafgaand aan de inslag vindt plaats in slechts enkele milliseconden op een schaal van slechts tientallen microns. Om deze minuscule vervormingen in het wateroppervlak te kunnen bestuderen, moest Utkarsh een speciale techniek ontwikkelen. In zijn opstelling plaatste hij een hogesnelheidscamera aan één kant van een tank gevuld met water. Aan de andere kant van de tank plaatste hij een lichtbron met een referentiepatroon van horizontale en verticale lijnen. Door de hoek van het licht werkt het wateroppervlak als een spiegel. "Je kunt dit effect zelf zien wanneer je een duik neemt in een zwembad en omhoog kijkt naar het oppervlak. Op sommige plaatsen zie je andere delen van het zwembad weerspiegeld in plaats van wat er boven het water gebeurt," zegt Jain.
Als het water helemaal stilstaat, is het oppervlak een ‘perfecte’ spiegel en weerspiegelt het het referentiepatroon precies zoals het is afgedrukt. Maar elke kleine afwijking is direct zichtbaar omdat die het patroon volledig vervormt. Met zijn opstelling kon Jain de vervormingen op het oppervlak – veroorzaakt door schijven op het water te laten vallen – in hoog detail filmen en de druk op de verschillende plaatsen van de schijf berekenen. "Interessant is dat het water vlak voor de impact de vorm van de onderkant van de schijf aanneemt. Het water ‘ziet’ het object aankomen," zegt Jain.