Als een waterstraal de gootsteen raakt, vormt zich een plat cirkeltje, afgegrensd door een golfje: de watersprong. Zeimusu/Wikimedia Commons

Alledaags fenomeen in gootsteen dat beschreven werd door da Vinci, is eindelijk verklaard

Wie regelmatig de kraan opendraait boven een gootsteen, heeft het vast al gemerkt: als de waterstraal de bodem raakt, vormt zich een plat cirkeltje dat afgegrensd wordt door een kleine opstaande rand, een golfje. Dat alledaagse fenomeen noemt men een watersprong, en nu is het eindelijk verklaard. Het ontstaat door de oppervlaktespanning en de viscositeit van het water, en niet door de zwaartekracht. De ontdekking heeft praktische gevolgen en kan zorgen voor een aanzienlijke waterbesparing.

In een gootsteen zijn watersprongen onschuldig, en in de waterbouwkunde worden ze gebruikt om snelstromend, en dus sterk eroderend, water te vertragen, maar in de scheepvaart zijn ze dan weer niet gewenst. In dieper water kunnen ze immers hevige golfslag, turbulentie en draaikolken veroorzaken.

Het fenomeen werd in de jaren 1500 al beschreven door de beroemde uitvinder en schilder Leonardo da Vinci, die ook onderzoek deed naar allerlei fenomenen, zoals bijvoorbeeld wrijving. Een verklaring voor de watersprongen had hij evenwel niet, en sinds het begin van de 19e eeuw dachten onderzoekers dat watersprongen minstens voor een deel veroorzaakt werden door de zwaartekracht. 

Die theorie die al zo'n 200 jaar geloofd werd, is nu echter ontkracht door een nieuwe studie van onderzoekers van de Britse University of Cambridge.

Doctoraatsstudent Chemical Engineering Rajesh Bhagat vuurde waterstralen af op gladde oppervlakten, zowel naar boven toe als zijwaarts, en hij zag net dezelfde watersprongen als wanneer het water gewoon naar beneden stroomde. Bhagat is de eerste auteur van de nieuwe studie.

Bhagat vermoedde dat al die watersprongen beïnvloed worden door dezelfde factoren: de oppervlaktespanning en de viscositeit - de mate waarin het water samenhangt, de kleverigheid - van het water. 

Door die eigenschappen van het water te veranderen, was hij in staat om de grootte van de watersprongen nauwkeurig te voorspellen, los van de richting waarin het water stroomde. Daarmee doorprikte hij de zwaartekrachttheorie als de oorzaak van het soort watersprong dat in de gootsteen optreedt, de cirkelvormige overgang. 

Een duidelijke watersprong aan de Burdekin-dam in Australië. Thuringowacityrep at the English language Wikipedia/Wikimedia Commons

Water besparen

Professor Paul Linden noemde de bevindingen van Bhagat "baanbrekend". Linden is het hoofd van het onderzoek aan het Departement of Applied Mathematics and Theoretical Physics aan de universiteit van Cambridge, en een mede-auteur van de nieuwe studie. 

"Zijn experimenten en zijn theorie tonen aan dat de oppervlaktespanning van de vloeistof de sleutel is tot het hele proces. Dat had men nog nooit eerder ingezien, ook al is het probleem reeds besproken door da Vinci en vele anderen sindsdien", zo zei hij in een mededeling van de universiteit van Cambridge. "Dit werk levert een opmerkelijke bijdrage tot een beter begrip van de dynamica van dunne lagen vloeistof."

 Bhagat voorspelt dat zijn bevindingen verreikende consequenties kunnen hebben voor industriële toepassingen die veel water verbruiken. "Weten hoe we de grens van een watersprong moeten manipuleren, is zeer belangrijk, en nu met deze theorie, kunnen we makkelijk die grens vergroten of verkleinen", zo zei hij.

"Het begrijpen van dit proces heeft grote implicaties, en zou het industriële watergebruik drastisch kunnen beperken. De nieuwe theorie wordt al praktisch toegepast in het Department Chemical Engineering. Mensen kunnen deze theorie gebruiken om nieuwe manieren te vinden om zowat alles schoon te maken, van auto's tot fabrieksuitrustingen",  zo zei Bhagat in de mededeling. 

Bhagat hoopt voorts dat zijn onderzoek ook gebruikt zal worden om nieuwe manieren te vinden om minder water te gebruiken in een gemiddeld huishouden. 

De studie van Bhagat, Linden en hun collega's is gepubliceerd in het "Journal of Fluid Mechanics".