Waarom water zich soms als een pannenkoek gedraagt

27 december 2016

Wat doe je als je een piepklein effect beter wil kunnen zien? Juist: je vergroot het uit. Dat deden wetenschappers uit Denemarken ook met een grappig natuurkundig verschijnsel: het pannenkoek-effect van water. Met waterballonnen en spijkers bootsten zij dit op grote schaal na om het beter te kunnen bestuderen.

Deze maand publiceerde de onderzoeksgroep van Tina Heckscher, een natuurkundige uit Denemarken, een publicatie waarin zij het pannenkoek-effect van water probeerde te repliceren met waterballonnen op een spijkerbed van 256 spijkertjes. Dit pannenkoek-effect is een bijzondere eigenschap van water. Als een waterdruppel met een lage snelheid op een plat oppervlak valt, zal die normaal gesproken een klein beetje vervormen en vervolgens in oorspronkelijke vorm het oppervlak weer verlaten. Valt de druppel iets sneller, dan krijgt het eerst een pannenkoekvorm en verlaat het oppervlak in een sigaarvorm.

Het echt bijzondere komt op het moment dat je het platte oppervlak vervangt voor één bestaand uit microscopische naaldjes. De waterdruppel is dan minder lang op het oppervlak aanwezig. De druppel houdt de pannenkoekvorm nu aan tot nádat die van het oppervlak is losgekomen. Dit kun je vergelijken met van een muurtje afspringen, landen op je hurken, en gehurkt weer terugkaatsen op het muurtje.

Het pannenkoeken-effect van water op grote schaal

Waterafstotend oppervlak

Dit opvallende natuurkundige effect ontstaat door oppervlaktespanning en een speciale waterafstotende coating op de naaldjes, die het effect versterkt. Lotusplanten hebben ook zo’n superwaterafstotend oppervlak: de bladeren van de lotus lijken dan ook niet nat te kunnen worden. Oppervlaktespanning kun je observeren bij waterdiertjes zoals schaatsenrijders, die over het water lijken te lopen. Vloeistof gedraagt zich aan de oppervlakte met een vloeistof-gasovergang als een veerkrachtige laag, vanwege de Vanderwaalskrachten tussen de vloeistof-moleculen. Losse waterdruppels krijgt dan de vorm van een bol.

In het proefje van Heckscher en collega’s vervingen zij de waterdruppel voor een waterballon. Deze ondergaat dezelfde vormveranderingen als de druppel, maar het effect is nu afkomstig van het rubber membraan van de ballon en niet van oppervlaktespanning. Ze deden dit omdat het op die manier mogelijk is meer metingen te verrichten dan je op microscopisch niveau zou kunnen uitvoeren. Door kleine dingen gigantisch te maken, is het soms makkelijker te bestuderen.

Andersen et al, 'The macroscopic pancake bounce', European Journal of Physics (2016).