Weet jij wat er gebeurt als je een pingpongbal in de luchtstroom van een föhn houdt? Of als je een pingpongbal in een waterstraal duwt?
Benodigdheden
- Pingpongbal
- Touwtje van ongeveer 30 cm
- Stevig plakband
- Stromend water (uit de kraan)
- Föhn
Wat moet je doen?
Pingpongbal in luchtstroom
- Zet de föhn aan (als het kan op een koude luchtstroom, anders moet je oppassen voor de warmte!) en richt de luchtstroom omhoog.
- Houd het pingpongballetje op ongeveer 5 cm afstand van de föhnopening.
- Wat gebeurt er nu met het balletje?
- Wat gebeurt er als je de föhn steeds een beetje meer schuin houdt?
Figuur 1: Pingpongballetje blijft zweven in de luchtstroom van de föhn.
Pingpongbal in waterstraal
- Maak nu het touwtje met plakband vast op het pingpongballetje.
- Zet de kraan in de gootsteen aan.
- Houd het pingpongballetje aan het touwtje nu zo vast, dat het stromende water aan één kant op het balletje terechtkomt.
- Hoe beweegt het balletje nu, naar de waterstraal toe of juist er vanaf?
- Zie je nog verschil als je de kraan harder of zachter zet?
Figuur 2: Pingpongballetje aan touwtje in waterstraal.
Wat gebeurt er?
Pingpongballetje in luchtstroom
- Je ziet dat het pingpongballetje in het midden van de luchtstroom van de föhn blijft zitten en niet naar de buitenkant gaat. Dat dit gebeurt, komt door een drukverschil dat ontstaat door de snelstromende lucht. De wis- en natuurkundige Bernoulli ontdekte lang geleden dat in snelstromende vloeistoffen en gassen een lagere druk ontstaat dan in de ruimte eromheen. Ook ontdekte hij dat hetzelfde gebeurt wanneer een gas of vloeistof over een gebogen oppervlak stroomt. Hoe sneller de stroming, hoe lager de druk.
- De druk in de (snelstromende) luchtstraal van de föhn is lager dan in de lucht eromheen. Het balletje blijft daardoor in de luchtstroom opgesloten zitten.
- Dat het balletje in het midden van de luchtstraal blijft, komt omdat de snelheid in het midden van de luchtstroom iets hoger is dan aan de rand. Je kunt je voorstellen dat de stromende lucht aan de rand van de luchtstraal uit de föhn wat afgeremd wordt door de stilstaande lucht eromheen, terwijl de lucht in het midden vrijwel ongehinderd kan stromen. Door de iets hogere snelheid in het midden is hier de druk net iets lager en blijft het balletje in het midden.
- Als je de föhn steeds iets meer schuin houdt, valt het balletje uiteindelijk naar beneden. Dat komt doordat de verticale component van de kracht die de luchtstraal op het balletje uitoefent op een zeker punt kleiner is dan de zwaartekracht die op het balletje werkt. Het balletje valt!
Pingpongballetje in waterstraal
- Misschien verwachtte je dat het balletje door de waterstroom weggeduwd zou worden, maar je ziet dat het balletje naar de waterstroom toe beweegt. Dat dit gebeurt, komt ook hier door een drukverschil dat ontstaat door het snelstromende water.
- Waarom beweegt het pingpongballetje nu naar het midden van de waterstroom? Dat komt omdat vloeistoffen (en lucht) altijd willen stromen van hogedrukgebieden naar lagedrukgebieden. Als je de pingpongbal gedeeltelijk onder de waterstraal houdt, is de druk op de natte kant van de bal lager dan op de droge kant van de bal. Door de hogere luchtdruk aan de droge kant van de bal wordt de bal in het lagedrukgebied van de waterstraal geduwd.
Op de Australische website Fizzicseducation staat dit proefje met de pingpongbal in water ook uitgelegd.
Misschien denk je nu: “Leuk zo’n pingpongballetje in een water- of een luchtstraal. Maar wat kun je hiermee?” In de luchtvaart speelt de wet van Bernoulli een rol bij het ontwerpen van vliegtuigvleugels. Door vliegtuigvleugels aan de bovenkant ronder en aan de onderkant platter te maken, stroomt de lucht aan de bovenkant van de vleugel sneller dan aan de onderkant. Hierdoor is de druk aan de bovenkant van de vleugel lager dan aan de onderkant. Dit zorgt voor een verticale, omhooggerichte kracht op de vliegtuigvleugel. Naast deze kracht omhoog, zijn er nog andere effecten die bijdragen aan de liftkracht op een vliegtuigvleugel en die het vliegtuig in de lucht houden.
Een heel andere toepassing die gelijkenis vertoont met het pingpongballetje in de luchtstroom is het optisch pincet. In 2018 heeft de Amerikaan Arthur Ashkin de Nobelprijs voor de Natuurkunde gewonnen voor deze uitvinding. Hierbij is het niet een luchtstraal waarin je iets opsluit, maar gebruiken ze een laserstraal om een deeltje in op te sluiten en het te kunnen verplaatsten. De principes hierachter zijn wel anders dan bij lucht- en vloeistofstromen, maar het is wel een slimme toepassing!