De vraag bij dit fotoraadsel was: waarvan is deze fantasiemaan gemaakt?
Rara, waarvan is deze fantasiemaan gemaakt?
Jullie reacties
Er bereikten mij twaalf reacties via vier verschillende kanalen (Material Girl op SciLogs, mijn eigen blog, de Twitter-account @eos_magazine en de Facebook-pagina van Eos). Uit jullie gokken kan ik twee dingen opmaken: dat jullie opmerkzame mensen zijn en dat velen onder jullie dorstige types zijn. ;-)
Op SciLogs opende Geert Van Gestel met de gok “schuim”. Ik kan al verklappen dat dit juist was, maar andere SciLog-lezers zochten verder naar een preciezer antwoord. Francky dacht ook aan schuim, waarschijnlijk van boter in de pan, Willem Hulscher aan een pannenkoek en Walter Valgaeren aan een sinaasappel. (Of hij op schuimend sinaasappelsap doelde, dan wel op de schil van de vrucht, weet ik echter niet.) Deze drie gokken zaten ernaast, maar ik heb intussen wel honger gekregen!
Ook aan onze dorst werd gedacht. Evy Sohier, zelf geen koffiedrinker, gokte op het schuim op een koffie. PJ Swinkels durfde (op mijn eigen blog) de koffie-hypothese wel verder te verfijnen: “waarschijnlijk Italiaans, maar geen cappuccino, die is witter van kraag“.
Alicia Meersschaert gokte (via Facebook) op de kraag van een Guinness. Op SciLogs hield Hans het op een “close-up van schuimkraag van een biertje vanbovenaf gezien”.
Een zekere “Mr. X” gokte (via Twitter) op zeepsop van afwaswater. Op SciLogs kreeg hij navolging van Sven (“Volgens mij gewoon afwaswater.”) en van Sam Bennekens (“zeepsop!”). Maciej hinkte op twee gedachten: “Voor mij lijkt dit op schuim op afwaswater. Kan natuurlijk op slecht bier zijn, da lijkt daar wel op ;)”
(Voor het juiste antwoord moet je snel verderlezen na de vouw!)
De oplossing
En ja, het antwoord is inderdaad: schotelwater! Het was Mr. X die als eerste juist gokte en hij is dus de winnaar van fotoraadsel 6. Hier is hetzelfde sopje, onder een iets andere hoek gefotografeerd:
De fantasiemaan was gemaakt van het schuim uit deze afwasbak.
Bij dit fotoraadsel hoort er nog een bonusvraag:
[important]
Is de foto gemaakt vóór of na de afwas?
[/important]
Maar geen nood: op dit antwoord hoef je geen twee weken te wachten. Lees gewoon rustig verder.
Wetenschappelijke verwondering aan de afwasbak
Terwijl de afwas voor de meeste volwassenen een saaie routineklus is geworden, vinden veel kinderen het juist dolle pret om hun speelgoed een keertje zelf te mogen afwassen: geen beter excuus om volop met schuim te spelen! We zijn sinds kort verhuisd en in onze keuken staat nu een vaatwasmachine te blinken, maar doorgaans doe ik de vaat nog steeds met de hand. Tja, als fysicus heb ik blijkbaar iets van dat kinderlijke enthousiasme voor afwassen bewaard…
Er zijn goede redenen waarom wetenschappers gefascineerd zijn door schuim, maar laten we beginnen met een definitie. Schuim is een vaste stof of vloeistof, waarin holtes voorkomen die gevuld zijn met een gas. In het geval van het schuim in de afwasbak gaat het om een vloeistof (water met detergent) en zijn de holtes inderdaad gevuld met een gas (lucht). De kraag op een glas bier en het schuim op een kopje koffie vallen in dezelfde catergorie.
Als je naar een dikke, verse schuimlaag in de afwasbak luistert, dan hoor je de schuimlaag afbreken: er barsten voortdurend belletjes. (In plaats van een fotoraadsel had ik hier dus ook een geluidsraadel van kunnen maken!) Het laagje zeepsop rond elke bel in het schuim is slechts een micron dik (een duizendste van een millimeter) en het is dus niet vreemd dat deze situatie instabiel is. Maar niet alle vormen van schuim zijn even vergankelijk. Denk maar aan piepschuim, opgeklopt eiwit, of het keukensponsje: dat zijn vaste stoffen met luchtgevulde holtes en die blijven heel wat langer stabiel.
Het blijkt nog knap lastig te zijn om het schuim in de afwasbak wiskundig te modelleren. Het feit dat de schuimlaag gestaag afbreekt, wijst er al op dat het een instabiel verschijnsel is, wat dikwijls moeilijker is om te beschrijven dan iets dat in evenwicht is.
Zoals zoveel fysische systemen is schuim te beschrijven als een samenspel van krachten. Enkele belangrijke factoren daarbij zijn:
- de oppervlaktespanning;
- de luchtdruk in de bellen versus de luchtdruk buiten de bel;
- de zwaartekracht;
- verdamping van het water;
- capillariteit in dunne wanden.
Klassieke natuurkunde in België
In de negentiende eeuw deed de Belgische fysicus Joseph Plateau heel wat experimenten rond vloeistofvliezen. Of hij ook van afwassen hield weet ik niet, maar hij beschreef in elk geval de structuur van zeepsopschuim en formuleerde daarbij wat wij nu kennen als de wetten van Plateau (zie ook dit Engelstalige Wikipedia-artikel). Deze studie was voornamelijk beschrijvend en liet dus nog ruimte voor verder onderzoek: waarom neemt schuim in de afwasbak deze karakteristieke vormen aan? Ook wat het dynamische aspect betreft (het afbreken van het schuim) was zeker nog niet alles bekend.
Recent onderzoek in Berkeley
In mei van dit jaar verscheen er een artikel in Science over dit fenomeen. De auteurs ervan, Robert Saye en James Sethian van de University of California, onderscheiden drie aspecten:
- het wegvloeien van het sop via de dunne wanden van de bubbels;
- het barsten van de bubbel als de wanden te dun worden;
- het herschikken van de bubbels.
De twee onderzoekers maakten een computersimulatie van een cluster van zeepbellen (een model voor schuim). In hun wiskundige model moesten ze processen in rekening brengen die zich op verschillende schalen afspelen. Het feit dat onderstaande animatie net een filmpje lijkt van hoe schuim in de echte wereld afgebroken wordt, suggereert sterk dat Saye en Sethian inderdaad de juiste combinatie van principes op het spoor zijn. Het doorrekenen van de beelden voor deze animatie duurde trouwens veel langer dan het proces in werkelijkheid in beslag zou nemen. (Bronnen in het Engels: het originele persbericht en de neerslag van een telefonisch interview met Sethian.)
Als we de informatie van de klassieke fysica (o.a. Plateau’s werk) en recent onderzoek (o.a. van Saye & Sethian) samenvoegen, komen we tot volgend tweeluik over de totstandkoming en de afbraak van schuim in de afwasbak.
(1) Hoe schuim gevormd wordt door oppervlaktespanning
Puur water heeft een hoge oppervlaktespanning, waardoor het contactoppervlak tussen het water en de lucht zo klein mogelijk blijft. Dit zie je als volgt: regen valt in de vorm van (min of meer) ronde druppels uit de lucht en het oppervlak van stilstaand water in een emmer ligt waterpas.
In zeepsop rangschikken zeepmoleculen zich aan het oppervlak rond de watermoleculen zodat deze niet rechtstreeks met de lucht in aanraking komen. Hierdoor verlagen zeepmoleculen de oppervlaktespanning van het afwaswater, waardoor het contactoppervlak tussen afwaswater en lucht niet minimaal hoeft te zijn. Naast druppels (die slechts één contactoppervlak vereisen), zijn bellen nu ook een mogelijkheid (waarbij er zowel aan de binnen- als buitenkant contact is tussen de vloeistof en de lucht).
Hoewel de oppervlaktespanning in zeepsop lager is dan die in water, maar zorgt dit er wel nog steeds voor dat één afzonderlijke zeepbel (ongeveer) bolvormig is: dit is de vorm die het contact tussen het zeepsop en de lucht minimaliseert – een zogenaamd minimaaloppervlak. Wanneer twee bubbels met elkaar in contact komen, ontstaat er – opnieuw door het effect van de oppervlaktespanning – een scheidingswand die (ongeveer) vlak is.
Een schuim is in feite een groot aantal bubbels, die allemaal met elkaar in verbinding staan. Uiteraard speelt oppervlaktespanning ook daarin een belangrijke rol.
(2) Hoe schuim afgebroken wordt door zwaartekracht, capillariteit en … de vaat
De zwaartekracht trekt de vloeistof tussen de bubbels naar beneden en zorgt ervoor dat er onderin de schuimlaag vooral kleine bubbels voorkomen. Het effect van de zwaartekracht wordt nog versterkt door de capillariteit van de wanden tussen de bubbels: die zuigen extra vloeistof naar zich toe, waardoor de bubbelwanden bovenaan te dun worden en de grote bubbels daar barsten.
Als je afwast wordt het schuim nog sneller afgebroken, doordat de zeepmoleculen zich tijdens de afwas rond het vet op de vaat ordenen. (Door mijn fascinatie voor schuim zou ik haast vergeten dat dit natuurlijk de reden is waarom we detergent gebruiken!) Hierdoor ontmengen de zeep en het water zich gedeeltelijk: de oppervlaktespanning stijgt weer, waardoor de schuimlaag afbreekt. Je kunt met vuil afwaswater dan ook geen bellen meer blazen.
Antwoord op de bonusvraag
Bovenstaande informatie over hoe schuim afbreekt kan ons helpen bij het beantwoorden van de bonusvraag: is de foto gemaakt vóór of na de afwas?
Twee waarnemingen:
- Het schuim op de foto in het fotoraadsel is eerder fijnmazig, met hoofdzakelijk kleine bellen.
- Het is bovendien een dunne schuimlaag, zoals je kunt zien aan de donkerdere vlekken, waar je door de laag heen kijkt.
Beide aspecten wijzen in dezelfde richting:
[important]
De foto is gemaakt na de afwas!
[/important]
Tot slot een Guinness
Als afsluiter toon ik een filmpje van Sixty Symbols waarin de Ierse professor Phil Moriarty vertelt over de fysica van het bier Guinness: over de bubbels, het schuim en de kleur (Mie-verstrooiing). (Als je er het fijne van wil weten, lees dan ook deze wetenschappelijke publicatie uit 2008 over de op- en neergaande golven van bubbels wanneer een Guinness wordt ingeschonken.)
Sláinte! (Schol!)
Gelijkaardige berichten:
Yek, schotelwater in plaats van een heerlijk kopje Italiaanse koffie. Ik hoop dat dit raadsel niet door mijn hoofd blijft spoken tot aan mijn volgende bezoek aan Italië. Guinness brengt overigens een andere keten van associaties op gang. In België (waar de mensen belangrijk zijn, en de pinten omvangrijk zijn) wordt Nederlands bier, met name Heineken, vaak slootwater of afwaswater genoemd. Ik ben geen groot bierliefhebber, maar drink op vakantie toch liever bier dan wijn, met name in Engeland. Wijn is er duur en vaak slecht (als je pech hebt wordt de rode wijn bewaard in de ijskast) en de meeste bieren zijn niet zo sterk (Lager!) maar vrij smakelijk. Een uitzondering is Guinness: alleen al vanwege de zwarte kleur heb ik altijd geweigerd om het te drinken, maar toen belandde ik een keer in Dublin, bij de beroemde brouwerij. Daar kun je moeilijk een Heineken bestellen, dus accepteerde ik maar zo’n donkere jongen. Hap, slok … inderdaad: slootwater, afwaswater met een kraagje.
Pingback: Over diamantvormige druppels » Sylvia's blog
Pingback: Woord van de dag: varkensmestputschuim » Sylvia's blog