Druppel melk vallende op een wateroppervlak

Datum: Januari 2011

Inleiding:

Een van de redenen voor mij om mijn een Casio EX-FX100 camera te kopen was de mogelijkheid om hoge snelheidsfilmpjes op te nemen. Het filmpje wat daarbij hoort is de vallende druppel. Ik heb enkele pogingen eraan gewaagd om zulk een filmpje te maken

Principe:

High speed filmpje van een vallende druppel

Materiaal:

  • Casio EX-FC100 digitale camera
  • Goede verlichting
  • Camera Standaard
  • Videobewerkingsprogramma (bv Windows Movie Maker)
  • Computer
  • Scheitrechter
  • Statief
  • water
  • Melk
  • Bakje
  • Bekerglas

Experimentele opstelling:

De Casio Exilim EX-FC100 kan highspeed-filmopnamen maken van bewegingen die te snel voor het menselijke oog zijn, om ze vervolgens in slow motion af te spelen. Je kunt daarbij kiezen uit een opnamesnelheid van 210 fps, 420 fps of 1000 fps. In principe hoef je niet meer te doen dan in het menu in te stellen welke fps setting je wilt gebruiken, de keuzeknop op HS te zetten en vervolgens de Movie Button in te drukken. Een probleem is dat de verlichting optimaal moet zijn. Gewoon binnen onder kunstlicht werkt niet goed. Het beste is nog steeds daglicht.

In nevenstaande foto kan men de opstelling zien die uiteindelijke gebruikt is. Een scheitrechter gevuld met een waterige melkoplossing gemonteerd in een statief. Daaronder een bakje gevuld met een laagje water. De camera is gemonteerd op een statief om zo een betere stabiliteit te krijgen.

De filmpjes zelf zijn op de camera opgenomen, overgebracht op een computer en m.b.v. Windows Movie Maker omgezet naar een iets handzamer formaat. Windows Movie Maker is ook gebruikt om snapshots te halen uit de filmpjes.

Uitvoering en resultaten:

Het resultaat is weergegeven in onderstaande filmpjes.
 
Film 1: Daglicht.

YouTube link: Vallende druppel 1

 
Druppel valt van "grote" hoogte.
We zien als het ware de druppel een krater slaan in het wateroppervlak.
Vervolgens zien we een straal omhoog komen.

Film 2: Daglicht.

YouTube link: Vallende druppel 2

 
Druppel valt van "grote" hoogte.
We zien als het ware de druppel een krater slaan in het wateroppervlak.
Vervolgens zien we een straal omhoog komen.
Het lijkt erop of een druppel bijna los komt uit die straal.
Bij het terugvallen ontstaat weer een krater.
In het laatste plaatje zien we twee golven.

Film 3: Daglicht.

YouTube link: Vallende druppel 3

 
Druppel valt van "grote" hoogte. Zelfde verhaal als vorige filmpje.
Film 4: Daglicht.

YouTube link: Vallende druppel 4

 
Druppel valt van "grote" hoogte.
We zien nu duidelijk dat uit de opspringende straal zich een druppel losmaakt.
 
Film 5: Daglicht.

YouTube link: Vallende druppel 5

 
Druppel valt van "lage" hoogte.
Een ander gedrag kan men nu waarnemen. De druppel valt op het water, zinkt even, gaat vervolgens gedurende enkele seconden drijven en zinkt dan weer. Men ziet de druppel tijdens het zinken groter worden.

Discussie en conclusie:

Als een melkdruppel op een vloeistof oppervlak valt wordt er een krater omhoog gegooid die uiteenvalt in een kroonachtige structuur.  Als deze kroon in elkaar valt schiet er een vloeistof straal  omhoog (Rayleigh straal) vanuit het centrum van deze krater die vervolgens afgeknepen wordt waarna een of meerdere kleine druppels omhoog schieten.

Als een druppel het wateroppervlak raakt zal de druppel gaan uitspreiden en een gat in het water slaan. Op een gegeven moment komt de druppel tot stilstand, op dat moment is er dus een gat aanwezig in het wateroppervlak. De oppervlaktespanning van het water zal dit tegen willen gaan door het gat te laten krimpen met een cirkelvormige golfbeweging naar het midden. Als de golven elkaar raken duwen ze een deel van de melkdruppel omhoog en een ander deel omlaag. Van de waterstraal die omhoog gestuwd wordt kan een deel het niet bijbenen en valt terug waarbij een kleine druppel in de lucht achterblijft.
 
De filmpjes zijn nog niet zo helder en contrastrijk als we ze graag zouden willen hebben (a la televisie). Desalniettemin kan men al veel details waarnemen.

Literatuur:

  • Jearl Walker; "The Flying Circus of Physics With Answers"; Wiley; 1977; ISBN 047102984x; p. 108.
  • P.V. Hobbs, A.J. Kezweeny; 'Splashing of a Water Drop'; Science; 1967 3 155; p. 1112-1114.
  • P.V. Hobbs, T. Osheroff; 'Splashing of a Water Drop'; Science; 1967 3 158; p. 1184-1186.
  • W.C. Macklin, P.V. Hobbs; 'Subsurface Phenomena and the Splashing of Drops on Shallow Liquids';  Science; 1969 10 166; p. 107, 108.
  • Francis H. Harlow, John P. Shannon; 'Distortion of a Splashing Liquid Drop'; Science; 1967 80 157; p. 547-550.
  • Alexander I. Fedorchenko, An-Bang Wang; 'On some common features of drop impact on liquid surfaces'; Physics of Fluids; 2005 5 16; p. 1350-1365.
  • A.M. Worthington; 'On Impact with a Liquid Surface'; Proceedings of the Royal Society of London;  1882-1883 34; p. 217-230.
  • S. L. Manzello, J. C. Yang; 'An experimental study of a water droplet impinging on a liquid surface'; Experiments in Fluids; 2002 32; p. 580–589

Relevante websites:

Minder relevante websites:

08/01/2011