|
Garnaal met luchtdrukpistool |
 De indrukwekkende knallen die een pistoolgarnaal onder water maakt, worden veroorzaakt door gasbellen die imploderen. Zo'n
bel ontstaat als de garnaal met grote snelheid zijn schaar sluit. Dat hebben onderzoekers van de Universiteit Twente, de
Stichting FOM en de Universiteit München ontdekt. Het resultaat is verrassend, want tot nu toe werd altijd gedacht dat het
geluid ontstaat als de helften van de schaar op elkaar klappen.
De pistoolgarnaal, de Alpheus heterochaelis, die in tropische wateren voorkomt, communiceert met luide knallen. Ook kan
het beestje, dat zo'n 5,5 centimeter groot is, met deze knallen een prooi verdoven of zelfs doden. De pistoolgarnaal heeft
daarvoor een schaar die tot drie centimeter groot kan zijn. Die schaar kan de garnaal met grote snelheid sluiten dankzij
een soort trekhaakmecha- nisme. In minder dan 300 microseconden klapt de schaar dicht. Het frequentiebereik van de knallen
is heel breed loopt van enkele tientallen hertz tot meer dan 200 kilohertz. Het geluid is op grote afstand te horen en
zelfs de sonar van een onderzeeër kan er hinder van ondervinden.
Cavitatie Tot nu toe is altijd aangenomen dat het geluid wordt geproduceerd als de schaarhelften op elkaar klappen. De nieuwe bevindingen laten echter iets anders zien. Door de razendsnelle sluitbeweging van de schaar wordt het water dat zich in de ruimte tussen de schaarhelften bevindt met wel 30 meter per seconde (ruim 100 km/h) weggespoten. Deze hoge snelheid leidt tot 'cavitatie'. De druk zakt ter plekke onder de dampdruk van water en er vormt zich een bel. Die groeit aanvankelijk, maar als de druk weer stijgt klapt hij in elkaar. En dat geeft de knal, zo blijkt uit het onderzoek. Om het verschijnsel te kunnen verklaren heeft experimenteel fysicus Michel Versluis van de Universiteit Twente opnamen gemaakt van het sluiten van de schaar, met een digitale hogesnelheidscamera die elke 25 microseconden een beeld opneemt. Simultaan heeft hij geluidsspectra gemeten als functie van de tijd. Daardoor is te zien dat op het moment van sluiten van de schaar geen geluid wordt gemeten, pas als de gasbel implodeert wordt een scherpe piek gemeten. De knal is volgens Versluis goed te modelleren, de waarnemingen kloppen zeer goed met de modelberekeningen. Afmeting en vorm van de schaar, de gebruikte spierkracht en snelheid van dichtklappen blijken allemaal een rol te spelen bij het geluidssignaal dat ontstaat. Toeval De onderzoeksvraag ontstond bij toeval toen biologe Barbara Schmitz, die veel onderzoek doet naar mariene schaaldieren, in München een presentatie bijwoonde van prof. Detlef Lohse, hoogleraar Vloeistoffysica aan de Universiteit Twente. Die ging over een heel ander onderwerp dan biologie en schaaldieren; Lohse sprak over 'sonoluminescentie', het verschijnsel dat imploderende gasbellen licht gaan uitzenden. Omdat Schmitz in videobeelden van een pistoolgarnaal wel eens een bel had waargenomen, vroeg zij Lohse ernaar. "Toen ik het geluidsspectrum zag dacht ik: dit moet van de bel afkomstig zijn," aldus Lohse. De Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) is vervolgens bereid gevonden het onderzoek ernaar te financieren, en Lohse kreeg gelijk in zijn vermoeden.   LichtLohse's vakgroep aan de faculteit Technische Natuurkunde van de Universiteit Twente doet al geruime tijd onderzoek naar het gedrag van bellen in vloeistof. Het verschijnsel cavitatie, dat ten grondslag ligt aan de knallen van de pistoolgarnaal, is bijvoorbeeld ook bekend uit de scheepvaartwereld. Imploderende gasbellen die ontstaan bij sneldraaiende scheepsschroeven, kunnen veel schade aanrichten. Internationale bekendheid kreeg Lohse daarnaast door zijn onderzoek naar 'sonoluminescentie', waarin een bel onder invloed van akoestische energie, plaatselijk zeer heet wordt en zelfs licht gaat geven. |
|
