211service.com
Een Vortex verifiëren
In de jaren zestig raakte de wereld, vooral dankzij MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde Ascher Shapiro ’38, PhD ’46, gefascineerd door de vraag hoe een badkuip leegloopt.
Harold Edgerton legde dit zijaanzicht van een watervortex vast in 1939. Meer dan twee decennia later zou Ascher Shapiro het Coriolis-effect op badkuipschaal demonstreren.
Wetenschappers waren zich ervan bewust dat de rotatie van de aarde het traject van bewegende objecten verandert. Dit fenomeen zorgt ervoor dat lagedrukweersystemen tegen de klok in draaien op het noordelijk halfrond en met de klok mee op het zuidelijk halfrond. Het Coriolis-effect, zoals het bekend is, was al lang goed gedocumenteerd op zulke grote schaal.
Maar ondanks eerdere pogingen had niemand aangetoond dat het effect - voor het eerst beschreven in 1835 door de Franse ingenieur en wiskundige Gustave-Gaspard Coriolis - ook op zeer kleine schaal werkt. Hoewel het in theorie de afvoer van badwater via een afvoer zou moeten beïnvloeden, werd gedacht dat het Coriolis-effect te klein was om te zien.
In 1962, hetzelfde jaar dat Watson en Crick hun Nobelprijs ontvingen voor de ontdekking van de dubbele helix, zette Shapiro een uitgebreide test op om voor eens en voor altijd aan te tonen dat het Coriolis-effect inderdaad op de schaal te zien was van een gewone huishoudelijke badkamer.
Voor zijn experiment gebruikte Shapiro een cirkelvormige kuip met platte bodem en een gecentreerd afvoergat met een diameter van drie-achtste van een inch waaraan hij een slang van 20 voet lang vastmaakte, afgesloten met een stop aan het uiteinde. Hij vulde de tank 15 cm diep met schoon water op kamertemperatuur.
Kleine variaties - luchtbeweging, een temperatuurverandering, een oppervlakteverstoring - creëren opwaartse stromingen die het Coriolis-effect overschaduwen. Dus Shapiro heeft veel gesleuteld om deze mogelijke storingsbronnen te elimineren - bijvoorbeeld door de tank te bedekken met een stuk plastic om luchtstromen buiten te houden en de temperatuur in de kamer zorgvuldig te regelen. Hij vulde de tank ook door water met de klok mee te draaien, zodat als het water tegen de klok in zou weglopen, de richting niet zou zijn beïnvloed door hoe de tank was gevuld.
Na 24 uur het water te hebben laten bezinken, trok Shapiro voorzichtig de plug uit het uiteinde van de slang en plaatste voorzichtig boven de afvoer een kleine vlotter gemaakt van twee gekruiste stroken hout van 2,5 cm lang. Het duurde ongeveer 20 minuten voordat het bad volledig leeg was. De eerste 12 tot 15 minuten bleef de vlotter onbeweeglijk. Toen begon het bijna onmerkbaar tegen de klok in te draaien en bereikte een pieksnelheid van ongeveer één omwenteling elke drie tot vier seconden.
Het was een opmerkelijke prestatie om te bewijzen dat het Coriolis-effect kan worden gedetecteerd in een tank ter grootte van een badkuip, zij het onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden. Op MIT's breedtegraad van 42 ° was het effect slechts dertig miljoenste van dat van de zwaartekracht, die zo klein is dat het zal worden overwonnen door vulling en zelfs temperatuurverschillen en wateronzuiverheden, meldde een van de vele kranten en tijdschriften die over het experiment berichtten.
Shapiro's resultaten werden gepubliceerd in Nature en geverifieerd door collega's die zijn techniek gebruikten om een stroming met de klok mee op het zuidelijk halfrond aan te tonen. De bevindingen fascineerden een nieuwsgierig publiek van alle leeftijden. Shapiro zou ook bekend worden vanwege het verklaren en verbeteren van de aerodynamica van golfbalkuiltjes, evenals voor het helpen ontwikkelen van de intra-aortaballon voor hartpatiënten en apparaten voor de behandeling van bloedstolsels, astma, emfyseem en glaucoom. Maar meer dan een decennium na de badkuiptest ontving hij brieven en krantenknipsels van over de hele wereld over wat de controverse over de badkuipvortex werd genoemd.
Verschillende studenten vroegen hoe ze het experiment konden herhalen voor klasprojecten, terwijl een Californische lerares die 87 landen had bezocht, bekende dat het trekken van badpluggen een hobby voor haar was geworden: ik heb ze van Tierra del Fuego naar Barrow, Alaska en Narvik getrokken, Noorwegen, naar Kaapstad en Tasmanië. Een verbijsterende brief van een uitgever uit Pennsylvania beschreef pogingen om Shapiro's werk te gebruiken in experimenten met planten: ik probeer de resultaten nu te dupliceren in mijn kas, met geraniums. Een man uit Lausanne, Zwitserland, schreef verschillende keren dat de rotatie van de badkuipafvoer verband hield met de barometrische druk. Zijn derde brief aan Shapiro, die de eerste twee genadig had beantwoord, eindigde, ik hoop dat je dit niet erg vindt; Ik geniet ervan.
Voor een schijnbaar onbeduidend probleem doemde het badkuipprobleem op in zijn carrière. Toen hij in 2004 stierf, luidde de eerste regel van zijn overlijdensadvertentie in Boston Globe: Dr. Ascher Shapiro wilde grip krijgen op hoe vloeistoffen bewegen, of ze nu door de afvoer van de badkuip dwarrelen of door het menselijk lichaam stromen.