Bobler i sjøvann kan ødelegge propeller

Australske forskere utfører eksperimenter i vektløs tilstand for å undersøke hvorfor bobler i vann skaper så store problemer.

Bobler ser harmløse ut, men de kan føre til store skader på skip. (Foto: Colourbox)
Bobler ser harmløse ut, men de kan føre til store skader på skip. (Foto: Colourbox)

Fakta:

Forskerne forsøker å skape store bobler – ifølge Arkimedes' lov vokser tyngdekraftens innvirkning i takt med størrelsen.

For å skape tilstrekkelig store bobler må forskerne bruke en svært energirik laser. Energimengden sammenlignbar med et lynnedslag.

Neste gang du reiser med en ferge, så gå bak på båten og kast et blikk i vannet. Du vil se hvordan propellen skaper voldsomme strømninger som genererer et vell av bobler.

Slike bobler er vakre å se på, men de kan føre til store skader på skroget og propellen. De fører til slitasje og vibrasjoner, noe som i verste fall kan føre til at propellen faller av.

Dette fenomenet, som kalles kavitasjon, er fortsatt ikke helt forstått – men en internasjonal forskergruppe under australsk ledelse arbeider iherdig med å granske det i alle detaljer.

Mange av eksperimentene har foregått under de parabelflyvningene som den europeiske romorganisasjonen ESA avholder to ganger i året, senest i mai 2012.

Under slike flyvninger beveger flyet seg raskt opp og ned, slik at alt som er om bord først blir ekstra tungt – og deretter vektløst.

Lite studentprosjekt ble til fullvoksen studie

Videnskab.dk var med på turen, og prosjektets leder, Danail Obreschkow, demonstrerte eksperimentet for oss. Han fikk ideen som student, for mange år siden, og fikk allerede den gang lov til å gjennomføre de første spede eksperimentene om bord på ESAs parabelflyvninger for studenter.

Siden den gang er det lille studentprosjektet vokst til en oppsiktsvekkende fullsblodsstudie som får anerkjennelse og oppmerksomhet fra forskere og bedrifter overalt i verden.

– Vi er kommet langt med studien vår, og fortsetter med full styrke. Vi får ikke bare innblikk i fenomenets grunnleggende fysikk: Vi kan også spare rederier og andre selskaper for masse problemer og kostnader, forteller Obreschkow, som er førsteamanuensis i hydrodynamikk ved University of Western Australia.

Tyngdekraften styrer showet

Bobler oppstår hver gang en væske blir turbulent. De kan for eksempel dannes i sjøvann hvis en propell roterer så raskt at vannet ikke kan følge formen til propellen.

Boblenes levetid er uhyre kort fordi de er tomme. De kan ikke motstå trykket fra væsken. Når de faller sammen, går energien over i små sjokkbølger, vannstrømmer og lysglimt. Det er dette som er skyld i skadene.

Omfanget av skadene kommer an på hvor mye energi boblene frigir når de kollapser, noe som igjen er bestemt av hvor misdannede de er. I den ideelle verden ville boblene være symmetriske og runde, men på grunn av tyngdekraften blir de deformert. Derfor er det påvirkningen av tyngdekraften vi er opptatt av.

I hypergravitasjon og vektløshet

Danail Obreschkow, i midten av bildet, trives godt i vektløs tilstand. Forskningen hans krever at han gjennomfører forsøk under ville parabelflyvninger. (Foto: Phillipe Kobel)
Danail Obreschkow, i midten av bildet, trives godt i vektløs tilstand. Forskningen hans krever at han gjennomfører forsøk under ville parabelflyvninger. (Foto: Phillipe Kobel)

På jorden er det vanskelig å undersøke hvor stor rolle tyngdepåvirkningen spiller, siden alle objekter er utsatt for den samme tyngdepåvirkningen.

Men heldigvis kan forskerne delta i en parabelflyvning hvor flyet styrer styrken på tyngdekraften.

Når flyet flyr bratt oppover, vil personer og utstyr om bord oppleve en tyngdepåvirkning på 2G (dobbelt så stor som på jordoverflaten). Når flyet stuper, blir alt på flyet vektløst, altså 0G.

Flyet kan også skape tyngdepåvirkninger på for eksempel 1,2, 1,4 og 1,6 G. Den tre timer lange flyvningen byr altså på litt av hvert og gir forskerne mulighet for å undersøke effekten på boblene og sjokkbølgene de skaper.

Høyhastighetskamera fulgte prosessen

Eksperimentet foregikk i en kasse med store mengder vann. Forskerne skapte små hulrom med en energirik laserstråle.

Den konsentrerte energimengden skapte eksplosjoner i vannet, slik at det i et brøkdels sekund oppsto bobler av vakuum.

Boblene kollapset i løpet av bare ti millisekunder, så det var umulig å se med det blotte øye, men forskerne dokumenterte alt med et høyhastighetskamera som tok 180 000 bilder i sekundet: .

En gullgruve av eksotisk fysikk

Ved hjelp av trykksensorer i vannet kunne forskerne kartlegge hvordan sjokkbølgene spredte seg.

– Hele seansen skaper masse interessant fysikk: Det er en gullgruve av ekstreme fenomener. Vi kan studere hvor mye energi som blir konvertert til sjokkbølger og lys under forskjellige tyngdepåvirkninger, sier Danail Obreschkow.

Utfallet har stor betydning for hvor store skader bobler av en bestemt størrelse og form kan skape.

– Eksperimentene om bord gikk fint, og vi fikk noen virkelig flotte opptak. Vi har store forventninger til at dataene vil bringe forskningen vår enda et stort skritt fremover. De foreløpige analysene viser at boblene blir varmere enn normalt i vektløshet, sier han.

Men analysene vil også generere nye spørsmål. Obreschkow regner derfor absolutt med å delta i flyvningene igjen.

– Disse flyvningene gir oss fantastiske muligheter. Så vi er svært takknemlige for at vi får lov til å delta, avslutter han.

Boblene fungerer som supernovaer

Eksperimentet kan også hjelpe astronomer med å forstå supernovaeksplosjoner – døende stjerner som imploderer og kaster av seg sine ytre lag i et gigantisk inferno.

– En supernova oppstår når stjerna har brukt opp alt stoffet i sitt indre, så det oppstår et hull inne i den. Det får de ytre delene av stjerna til å falle sammen. Deretter blåser en sjokkbølge gjennom stjerna. Det minner om det vi observerer i boblene, sier Danail Obreschkow.

Boblefysikk og supernovafysikk er svært forskjellige prosesser, understreker han, fordi de foregår på hver sin skala. Men de har også mye til felles.

– Fordelen med boblene er at du kan studere dem i et laboratorium. En supernova befinner seg svært langt unna, noe som gjør det vanskelig for astronomene å finne ut hva som foregår. Det kan våre forsøk gi dem en indikasjon på, sier han.

Eksperimentet skal løse en av fysikkens største gåter

Sonoluminesens betegner det korte lysglimtet som sendes ut av nesten tomme bobler i vann. Når de kollapser, blir energien konsentrert i et lite område i boblens senter. Den enorme energitettheten utløser en kaskade av fysiske prosesser som ikke kan beskrives innenfor vanlig hydrodynamikk.

– Disse prosessene omfatter opprettelsen av en ny boble, en voldsom trykkbølge, en kraftig væskestråle og dessuten varme. Denne varmen er den sannsynlige årsaken til sonoluminesens, men de presise mekanismene er fortsatt uklare, sier Danail Obreschkow.

– Vi registrerer lysglimtet fra boblene og deler det opp i regnbuens farger. Disse målingene, parallelt med høyhastighetsfotografering og trykkmålinger, gir oss mulighet for å avsløre mysteriene bak fenomenet. En foreløpig analyse har allerede overrasket oss: Sonoluminesens viser seg å være mye mer fremtredende i vektløshet enn under «normal» tyngdekraft, noe som viser en direkte sammenheng mellom boblens form og lyset som sendes ut. Dette er et liten, men viktig brikke for å forstå dette magiske lyset, forklarer han.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.

Powered by Labrador CMS