De spin-out

Het paradijs op aarde

Strak blauwe lucht, helder zeewater van 26 ˚C, buitenluchttemperatuur van 30 ˚C en de Tramontana (= harde wind in Noord Spanje). Mijn surfboardje stuitert onder mijn regie over het water van de middellandse zee. Genieten, even een moment voor mijzelf en niet aan de beslommeringen van alledag denken. Zo snel heb ik volgens mij nog nooit over het water gescheerd. Dan, plotseling, uit het niets, breekt de achterkant van mijn board uit en glij ik meters dwars over het water. Ik kan me maar net staande houden. “What the hack gebeurt hier?” Is de vin van mijn board plotseling afgebroken en heb ik geen grip meer? Ben ik ergens tegenaan gevaren? Ik minder wat snelheid en ik krijg de grip weer terug. Weer veilig aan wal aangekomen controleer ik mijn board en er is niets aan te zien. Mhmhh? Wat kan dit geweest zijn? Als ik het nu eens omdraai: de vin staat stil en het water stroomt er langs? Dit begint al aardig te lijken op situaties uit de procestechnologie, of beter uit de hydrodynamica, stromingsleer, dat een belangrijk onderdeel is van de procestechnologie. Aangezien ik weet dat mijn vriend Charlie een verwoed surfer is, ga ik hem maar weer eens raadplegen om hier een verklaring voor te geven.

Ik pak mijn laptop en schrijf een mail aan Charlie (het duurt iets langer dan normaal voordat ik antwoord krijg, maar dat komt door de gebrekkige WiFi verbinding op de camping).

Surf-dude Charlie legt uit…

Beste Enrico,

Op je vraag wat er gebeurt als je vin geen grip meer heeft in het water, moet ik je eerst even iets uitleggen over stromingsleer. Ik kan je in ieder geval verklappen dat het iets te maken heeft met luchtbellen die zich onder bepaalde omstandigheden op je vin verzamelen. Het water plakt dan niet meer aan de vin, waardoor je de grip verliest en als het ware uitglijdt. Maar hoe komt dat nu? Vloeistoffen of gassen die stromen kunnen wiskundig worden beschreven met zogenaamde stroomlijnen. Stroomlijnen zijn moleculen die dezelfde weg afleggen en zich met dezelfde snelheid in de vloeistof of het gas voortbewegen. Normaal gesproken zie je de stroomlijnen natuurlijk niet, maar met eenvoudige middelen zijn ze zichtbaar te maken, bijvoorbeeld door straaltjes inkt in vloeistof of rook in een gas te injecteren. In onderstaand filmpje zie je de stroomlijnen om een vliegtuigvleugel in een windtunnel en hoe die door de stand van de vleugel worden beïnvloed.

Je ziet dat op sommige punten de stromingslijnen dichter bij elkaar liggen dan bij anderen. De stromingssnelheid is op die punten hoger dan op de punten waarbij de stromingslijnen verder uit elkaar liggen. En nu komt het: in de achttiende eeuw heeft meneer Bernouilli al ontdekt dat de som van de statische druk op zo’n stroomlijn (de druk die op dat punt in de stroomlijn heerst) en de dynamische druk (bewegingsenergie, afhankelijk van de snelheid) constant is. Dat betekent concreet als de snelheid van de stromende moleculen omhoog gaat (de dichter bij elkaar liggende stroomlijnen in het filmpje) de druk op dat punt dus wel omlaag moet gaan. De optelsom van die twee is immers constant. Dat is wel een ontdekking geweest zeg, want daar hebben we in de procestechnologieveel mee te maken. Maar ook daarbuiten: de vliegtuigvleugel (zie weer het filmpje) heeft een dusdanige vorm dat de stroomlijn aan de bovenkant sneller stromen dan aan de onderkant. We hebben nu geleerd dat de druk aan de bovenkant van de vleugel daarmee lager wordt en de vleugel dus omhoog wil.

Soms maken we in de procestechnologie gebruik van dit principe. We kunnen aan de hand van de wet van Bernouilli heel goed meten hoeveel vloeistof of gas er door een leiding stroomt. We plaatsen dan een plaat in de leiding met een gat in het midden. De vloeistof of gasstroom moet zich dus door het gat in de plaat persen. De stroming wordt daardoor versneld en waar de stroomlijnen het dichts bij elkaar liggen is de druk weer het laagst. Dit laagste drukpunt ligt overigens niet precies op het punt waar de vernauwing is, maar net erna. Dit wordt in jargon de Vena Contracta genoemd. Door net voor en net na de vernauwing de druk te meten meten we dus een verschil in druk, die afhankelijk is van de snelheid van de doorstromende vloeistof of gas. Dit is het principe van een meetschijf of meetflens. Soms wordt de schijf vervangen door een taps toelopende vernauwing, ook wel een venturi genoemd.

Orifice

Bernouilli heeft ons dus geleerd dat stromingen om en door objecten versnellingen van de stroming tot gevolg hebben en daarmee gepaard gaande drukverlagingen.

Helaas is het ook zo dat dit soms niet zo fijn meewerkt als in het principe van de meetflens. Ik heb eerder uitgelegd dat het kookpunt van een vloeistof afhankelijk is van de heersende druk. We weten dat water bij de normale atmosferische luchtdruk kookt bij 100 ˚C. Bij een lagere druk zal het water eerder gaan koken dan 100 ˚C. Bij een druk die bijvoorbeeld maar 10% van de normale atmosferische luchtdruk is, kookt het water al bij 45 ˚C. Als een vloeistof door de meetschijf, een afsluiter (kraan) of door een pomp stroomt en dicht tegen zijn kookpunt aanzit, zal een snelheidsverhoging en dus drukverlaging ontstaan. cavitatierotor
Als de druk laag genoeg wordt dat de vloeistof gaat koken, worden daar ter plaatse dampbelletjes gevormd. Verderop wordt de druk weer hoger en worden de dampbelletjes weer in elkaar gedrukt, ze imploderen. Als dit maar lang genoeg duurt beschadigt bijvoorbeeld de pomp en wordt het metaal letterlijk weggeslagen. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. En na deze theoretische uitleg denk ik dat dat ook de oorzaak is van de spin-out op je surfplank. Door de hoge snelheid en een bepaalde druk die de surfplank op de vin uitoefent is er net even een onstabiliteit rond de stroming langs je vin en ontstaan er dampbelletjes (cavitatie), waardoor jij je (be)grip verliest. 
 

Ik hoop dat ik je weer wat heb kunnen leren. 

Aloha,

Hantekening-Charlie

 

P.S. Ik ben nu aan het surfen bij Tarifa in zuid-Spanje, waar de vernauwing in de straat van Gibraltar tussen de bergen van Spanje en Marokko zorgt voor een venturi-effect. De lucht stroomt daar sneller doorheen, waardoor de druk daar lager wordt en er….juist altijd veel wind staat!

Schermafbeelding-2013-08-21-om-21.43.39

Op naar zuid-Spanje dan maar volgende keer…

0 antwoorden

Plaats een Reactie

Meepraten?
Draag gerust bij!

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *