Superluchtbel

De eerste schroefpropeller werd getekend door Leonardo da Vinci, maar het duurt tot de negentiende eeuw voor iemand op het idee komt een boot aan te drijven met een schroef. Vlak voor het eind van die eeuw ontdekt de Brit Charles Parsons –de uitvinder van de stoomturbine– het verschijnsel supercavitatie. Hij voorspelt dat zijn stoomschip ”Turbinia” de recordsnelheid van ruim 50 kilometer per uur zal behalen, maar constateert teleurgesteld dat dat niet lukt omdat de propellerbladen slechts in een luchtbel ronddraaien.

Wat is cavitatie? Cavitatie is het proces waarbij een vloeistof verandert in een damp door een verlaging van de druk. Dat een vloeistof kan veranderen in een damp weet ieder die wel eens thee zet. Maar de overgang van water naar waterdamp gebeurt niet alleen door de temperatuur te verhogen, maar ook door de druk te verlagen. Wie wel eens hoog in de bergen heeft gekampeerd, weet dat het daar langer duurt voor de aardappelen gaar zijn. De lucht is daar ijl, de luchtdruk is er lager en dus kookt het water daar eerder dan bij 100 graden. Het omgekeerde is nog bekender: voer de druk op en het water kookt pas bij 120 of 130 graden. Daarom zijn aardappelen in een snelkookpan juist sneller gaar.

Ook bij een gelijkblijvende temperatuur kan water overgaan in de dampvorm, wanneer je de druk flink verlaagt. Dat gebeurde bij Parsons' propellerbladen. In een vloeistof zoals water zijn er overal drukverschillen, vooral in stromend water. Het zijn juist die drukverschillen die een vaartuig voortstuwen.

Bij een propellerblad is de druk van het water hoog aan de achterkant van het blad (daar zet de schroef zich als het ware tegen af), terwijl de druk laag is aan de voorzijde (daar zuigt de schroef zich naar toe). Aan de buitenste rand van de schroef, waar de snelheid het hoogst is, ontstaan dampbellen: cavitatie (zie bovenste foto). Draait de schroef sneller of is de omgevingsdruk lager (dichter bij de wateroppervlakte), dan neemt de cavitatie toe en ontstaat er een gaslaag die een groot deel van het oppervlak van het propellerblad bedekt (zie onderste foto). In extreme gevallen loopt de 'luchtdeken' over de achterrand van het blad heen; dit verschijnsel heet supercavitatie. De foto's zijn gemaakt door Mark Duttweiler, van het California Institute of Technology, die onderzoek verricht naar de stabiliteit van gasbellen die ontstaan door supercavitatie.

Cavitatie komt ook voor bij vloeistofpompen, kleppen en pijpleidingen. Scheepsbouwers zijn beducht voor cavitatie, niet alleen omdat het de effectiviteit van de voortstuwing verkleint, maar ook omdat de ineenspattende gasbellen forse schade aan het metaal veroorzaken.

Experimenten met kogels en torpedo's die omhuld zijn door een gasbel zijn gebaseerd op supercavitatie die optreedt door de speciale vorm van de kop van het projectiel. Duttweiler: „In het algemeen zal direct achter de ronding van de kop plaatselijk de druk sterk verlaagd zijn, zodat cavitatie kan optreden. Normaal gesproken zal de gasbel zich ver voor de staart van de torpedo sluiten, maar in extreme gevallen kan de bel zo groot worden dat ze de hele torpedo insluit.”