Zout water oscillator

Datum: Juni 2008

Inleiding:

Over dit experiment heb ik voor het eerst gelezen terwijl ik mijn "Amateur Scientist" CD-ROM aan het bekijken was. Het leek me erg vreemd en ik was er gebrand op om te zien of ik het kon reproduceren.

Principe:

Een oscillerende beweging creëren, gebaseerd op dichtheidsverschillen.

Materiaal:

  • injectiespuit
  • injectienaald
  • pipetje
  • zaagje
  • schuurpapier
  • water
  • keukenzout
  • pot
  • maatcylinder
  • injectiespuit steun
  • videocamera

Uitvoering:

 
  • Zaag de punt van de injectiespuitnaald.
  • Schuur de punt voorzichtig een beetje op om de bramen weg te halen.
  • Maak een verzadigde oplossing van keukenzout in water
  • Bouw de opstelling op zoals hiernaast schematisch is weergegeven.
  • Gebruik een pipetje om zoutoplossing in de injectiespuit te doen.
  • Laat deze even doorlekken om lucht uit de naald te halen.
  • Plaats de spuit in het het gat van de steun dusdanig dat deze recht naar beneden hangt.
  • Observeer waarbij men tegelijkertijd het geheel opneemt met een videocamera.

 

Resultaat:

Het resultaat kan men waarnemen in onderstaand filmpje. Het filmpje duurt ca. 2 1/2 minuut.

 

YouTube link: Zout water oscillator
Als de oscillator tegen de zwaartekracht ingaat kan men het niveau in de injectiespuit zien stijgen.

Discussie en conclusie:

Wat zien we gebeuren. Volgens verwachting stroomt de geconcentreerde zoutoplossing (met hogere dichtheid) uit de injectiespuit en zinkt naar de bodem van de maatcylinder. Alhoewel beide oplossingen helder zijn kunnen we dit waarnemen doordat het verschil in dichtheid tussen de zoutoplossing en het water de brekingsindex ook verschillend is (schlieren). Op het moment dat het niveau van de zoutoplossing in de spuit flink beneden het niveau van de wateroplossing is gezakt neemt de uitstroomsnelheid af en op een gegeven moment stopt zelfs de flow en draait zelfs om. Het niveau van de zoutoplossing begint zelfs weer te stijgen doordat een straal vers water de spuit binnenschiet. Dit gaat enige tijd door totdat de flow weer omdraait. Dit proces kan zich meerdere cycli herhalen.
 
De verklaring die voor dit fenomeen gegeven wordt is de volgende. Het vloeistofniveau in de spuit oscilleert tussen twee evenwichtsposities waar de krachten die de flow genereren exact met elkaar in evenwicht zijn. De eerst positie wordt bereikt als zout water de naald vult. In deze positie is het systeem in evenwicht omdat het gewicht van de zoutkolom die reikt van de naaldpunt tot het oppervlak van de zoutkolom gelijk is aan het gewicht van een equivalente kolom water met dezelfde diameter die reikt van de naaldpunt tot het hoger gelegen water niveau buiten de spuit. De zoutkolom is korter dan de equivalente hoeveelheid water maar heeft een evenredig hogere dichtheid, waardoor het gewicht van beide kolommen hetzelfde is.
De tweede evenwichtspositie wordt bereikt als water de naald begint op te vullen. De kolom is nu opgebouwd uit twee delen: water in de naald en ernaast en erboven een een kolom van zout water met gelijke diameter. De samengestelde kolom heeft een lagere dichtheid dan de zoutoplossing maar het niveau van de zoutoplossing in de plunjer van de spuit is nu evenredig hoger dan het was op het moment dat de zoutoplossing de spuit vulde - exact voldoende hoger om het evenwicht in het systeem te herstellen. Beide evenwichtsposities zijn extreem gevoelig voor verstoringen aangezien de zwaardere zoutoplossing bovenop het lichtere water ligt. Evenwicht bestaat alleen als het interface tussen zoutoplossing en water parallel is met het vrije oppervlak van de oplossingen en bewegingsloos is. Maar net zoals water uit een op de kop gehouden fles stroomt en lucht naar binnen zal stromen zo zal het interface omdraaien tussen zoutoplossing en water. Zout water heeft de neiging langs een kant van de naald naar beneden te stromen en water via de andere kant naar boven te stromen.
In het geval van de zoutwateroscillator zal flow in een richting de flow in de andere richting afknijpen als het verschil tussen dichtheid en stromingsnelheid van de twee vloeistoffen voldoende groot is. Om zich deze interactie voor te stellen kan men het beste beginnen door zich voor te stellen dat zout water de naald vult. Elke verstoring van het interface tussen zout en zoet water op de bodem van de naald zal tot gevolg hebben dat een beetje zoet water de naald binnendringt en dat een equivalente hoeveelheid zout water naar buiten de naald verplaatst wordt. De waterkolom is de naald is nu opgebouwd uit zowel zout als zoet water. Het gevolg daarvan is dat het lichter is dan een equivalente kolom vers water buiten de spuit. De kolommen zijn niet meer in evenwicht en de resulterende krachten zorgen ervoor dat meer vers water de spuit binnendringt waarbij het evenwicht verder verstoord raakt. Aangezien het naaldvolume veel kleiner is dan het volume in de spuit zelf zal het binnendringen van een kleine hoeveelheid zoet water het oppervlakte niveau van de zoutoplossing niet verstoren. Als gevolg daarvan stijgt het zoete water in de buis zelf naar boven, wordt als het ware naar binnen geduwt, en wordt zo de kracht die de opwaartse flow versneld. Op een gegeven moment is de kracht die de opwaartse flow van het zoet water vergezeld voldoende groot om de neerwaartse flow van het zoute water af te knellen hetgeen betekent dat er alleen nog maar flow in een richting is en direct daarna dringt een stroom zoet water de plunjer binnen. Het niveau van de verdunde zoutoplossing stijgt dan.


Ontwikkeling van een richtings flow

Deze opwaartse flow blijft plaatsvinden totdat het vrije oppervlakteniveau van het zoute water het tweede evenwichtpunt nadert. Dan stopt de flow en is het systeem weer in evenwicht, met de naald helemaal gevuld met zoet water. Door een instabiliteit wordt het evenwicht weer verstoord waarbij zout water weer door de naald gaat stromen en blijft stromen totdat het eerste evenwichtspunt weer bereikt wordt en een nieuwe cyclus start.
De zout water oscillator doorloopt meerdere cycly. Doordat echter bij elke cyclus het zoute water verdund wordt neemt na elke cyclus de druk af die veroorzaakt wordt door het binnendringen van zoet water in het zoute water in de naald. De resulterende kracht wordt op een gegeven moment te klein om de op & neer beweging af te knellen. Op dit moment ontstaat een contante flow in twee richtingen totdat de dichtheidsverschillen zijn opgeheven.


Stabiele flow in het capillair
De oscillatie frequentie wordt vnl bepaald door de geometrie van de spuit. De frequentie variatie is ruwweg lineair afhankelijk van de lengte van de naald. Het verdubbelen van de naaldlengte verdubbeld ruwweg de oscillatiefrequentie. Een toename in de plunjer diameter of een afname van de naalddiameter leiden ook tot een toename van de frequentie. In oscillators met een periode van meer dan 10 s is de oscillatie onafhankelijk van dichtheidsverschillen tussen verschillende vloeistoffen, alleen de viscositeit lijkt wel enige invloed te hebben.
In een paar van de literatuur referenties kan men een mathematische benadering van de zout water oscillator vinden. Ik moet eerlijk toegeven dat ik met dit soort wiskunde tegenwoordig niet meer zo goed overweg kan. In de publicatie van Yoshikawa uit 1989 gebruikt men de Navier Stokes vergelijking om een differentiaal vergelijking af te leiden die het systeem beschrijft.

Literatuur:

  • C.L. Strong; "Curious Oscillators That Involve Salt Water, Flame and Hot Wire"; Scientific American;  September 1970.
  • Seelye Martin; 'A Hydrodynamic Curiosity: the Salt Oscillator'; Geophysical Fluid Dynamics; 1 1970; p. 143-160
  • Richard M. Noyes; 'A Simple Explanation of the Salt-Water Oscillator'; Journal of Chemical Education; 66 3 1989; p 207-209.
  • K. Yoshikawa, S. Nakata, M. Yamanaka, T. Waki; 'Amusement with a Salt-Water Oscillator'; Journal of Chemical Education; 66 3 1989; p 205-207..
  • Kenji Aoki; 'Mathematical model of a saline oscillator'; Physica D; 147 2000; p. 187-203.
  • S. Uphadhyay, A.K. Das, V. Agarwala, R.C. Srivastava; 'Oscillations of Electrical Potential Differences in the Salt-Water Oscillator'; Langmuir; 8 10 1992; p. 2567-2571.
  • A. K. Das, R.C. Srivastava; 'Oscillations of Electrical Potential Differences in the Non-electrolyte Analogue of the Salt-water Oscillator'; Journal of the Chemical Society Faraday Transactions; 89 6 1993; p. 905-908.
  • R.P. Rastogi, R.C. Srivastava, Sharwan Kumar; 'Oscillatory phenomena at liquid-liquid interfaces'; Journal of Colloid and Interface Science; 283 2005; p. 139-143.
  • Kenji Miyakawa, Kazuhiko Yamada; 'Entrainment in coupled salt-water oscillators';Physica D; 127 1999; p. 177-186.
  • Satoshi Nakata, Takahiro Miyata, Nozomi Ojima, Kenichi Yoshikawa; 'Self-synchronization in coupled salt-water oscillators';Physica D; 115 1998; p. 313-320.
  • Kenji Miyakawa, Kazuhiko Yamada; 'Synchronization and clustering in globally coupled salt-water oscillators'; Physica D; 151 2001; p. 217-227.
  • Joaquin Ariel Moron-Villarreyes, Henrque Jose Brum da Costa, Fernando Kokubun. Luiz Carlos Schmitz, Jorge Alberto Castro; 'Some applications of salt-water oscillator in Chemical Engineering teaching and process equipment design'; Computers and Chemical Engineering; 24 2000; p. 1753-1757.
  • Karel Knip; 'Zoutvinger'; NRC Handelsblad; 30 april/1 mei 2005; p. 47.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Het heeft me nog aardig wat moeite gekost om een goede film te maken. Mijn eerste pogingen m.b.v. een webcam binnenskamers gaven geen goed zichtbaar resultaat. Slechts een keer is dat wel gelukt door het stroboscopische effect van een TL lamp boven de maatcylinder. Alleen krijg je dan hoofdpijn als je er naar kijkt. De beste verlichting is echter gewoon buitenverlichting. Ik heb daarna m.b.v. een software programma het filmpje geconverteerd naar een avi file in iets hanteerbaarder formaat.
  • Onder bepaalde omstandigheden (1 l cylinder, diepte spuit min. 20 cm, oscillatie periode 3 seconden of langer) kan men vortexen van zout water zien ontstaan. 
  • De zoutwater stroom kan beter zichtbaar gemaakt worden door bv fluoresceïne aan de zoutoplossing toe te voegen. Eosine schijnt ook te werken (zit in rode inkt). Zelf heb ik het met methyleenblauw geprobeerd maar dat was niet echt een succes.
  • Een injectiespuit is makkelijk maar niet noodzakelijk. Een glazen buis met een stop met daardoorheen een capillair werkt ook.

24/01/2009