zigzaggende, stilstaande en teruglopende waterstraal


In deze video zie je een bizarre waterstraal. De straal vormt een scherpe zigzag, je ziet druppels die stil lijken te hangen in de lucht én het lijkt mogelijk om de straal tegen de zwaartekracht terug te laten lopen! En dat alle met een luidspreker (speaker), een trillingsapparaatje en een waterslang. Hoe werkt dat? Onder de video de verklaring.

Hoe komt het water aan zo’n gekke vorm?

Denk aan water er gebeurt als je een tuinslang of brandweerslang los laat liggen als je de kraan opent: de slang slingert rond. De waterstraal volgt de slang en vormt een ronddraaiend patroon. Er zijn meerdere cartoons gemaakt waar een losgeslagen waterslang de hoofdrol speelt. Dit is hier ook aan de hand.

In plaats van een losliggende slang is de slang nu vastgemaakt aan een speaker. De speaker versterkt de trilling van het trilapparaat  en zorgt ervoor dat de slang én dus ook de waterstraal een ronddraaiende beweging maakt. Sta je op de juiste plek dan zie een spiraal- of kurkentrekkervorm.

Zigzag-vorm

Toch zie je in het fiimpje duidelijk een zigzag vorm met scherpe hoeken. Dit lijkt absoluut niet op de kurketrekkervorm! Hoe zit dit dan? Welnu, een mooie spiraal ziet er vanuit de juiste hoek ook als een zigzag uit. Neem bijvoorbeeld een balpenveer. Dit is een spiraal. Als je elk uiteinde met een hand pakt, je strekt je armen, houdt de veer verticaal, dan zie je …… hetzelfde als op het filmpje, een zigzag. En toch is de vorm van de veer een spiraal!

 Stilstaan en teruglopen

Bij de tekst in het filmpje wordt gesproken over een frequentie van 24 Hz, 24 hele trillingen per seconde, in één trilling maakt de waterstraal één heel rondje. De camera’s waarmee wordt opgenomen registreren 24 (USA, deel van Zuid Amerika) tot 25 (rest van dewereld) beeldjes per seconde waarnemen. Bij een frequentie van 24 Hz is de waterstraal weer bij het beginpunt van een rondje. Dat is het moment waarop wij het volgende beeldje waarnemen. De straal lijkt nu stil te staan.

Als we met de frequentie variëren zul je de waterstraal of net voor of net na het vorige punt waarnemen. In het laatste geval lijkt de waterstraal terug te lopen. Dit verschijnsel kennen we ook bij het ronddraaien van autowielen die eens vooruit en dan achteruit lijken te draaien.

 

Gewoon natuurkunde

 

 

 

 

Advertenties

4 gedachten over “zigzaggende, stilstaande en teruglopende waterstraal

  1. Robin

    Beste, dankuwel voor de nuttige bijdrage. Het zal zeker van pas komen ;). Nog een aanvulling op jou tekst, ookal is het volgens mij allemaal correct wat je gezegd hebt. De straal die je ziet stilstaan is een soort staande golf. Je hebt het fenomeen ook bij een touw, waar dit corde de melde wordt genoemd. Hier gebeurt hetzelfde met een waterstraal, maar bij een touw heb je een 1-dimensioneel beeld en de waterstraal beweegt zich voort in meerdere dimensies. Dat maakt het veel complexer. Het wagon-wheel effect wordt grondig besproken in ons eindwerk, en door jou bijdrage hebben we er nog een stuk aan aangebreid! We zijn ondertussen in het bezit van een stroboscoop dus zullen we deze proef nog eens uitvoeren met een stroboscoop.

    Like

    1. watchingphysics Berichtauteur

      Beste Robin,
      dank voor je terugkoppeling. Ik kende de term nog niet en heb een duidelijk filmpje gevonden: (dank je voor de tip!)

      Veel succes met de stroboscoop én de afronding van het eindwerk.

      Groeten,

      Silvio Rademaker

      Like

  2. Robin Ghekiere

    Beste, wij maken hierover een eindwerk en ik zou hier graag iets aan toevoegen. Wij hebben deze proef uitgevoerd, en dit kun je niet zien met het blote oog. Enkel als je filmt met een camera die 25 beeldjes per seconde neemt (25fps) zal het water ‘lijken stil te staan’. Met een stroboscoop, die de werking van de camera overneemt, zal je deze met het blote oog kunnen zien. Waarom je dit juist niet ziet met het blote oog, en wij een autowiel dan wel weet ik niet. Weten jullie dat toevallig?

    Like

    1. watchingphysics Berichtauteur

      Hallo Robin,
      Dank voor je vraag. Het heeft mij aan het denken gezet, de verklaring die ik schreef is inderdaad niet juist. Ik wil jullie dan ook complimenteren met een uitstekend staaltje wetenschappelijk onderzoek! 🙂
      De stelling dat een mensenoog 25 plaatjes per seconde kan waarnemen is niet juist. Dit aantal ligt hoger maar heeft ook te maken met helderheid, contrast, scherpheid van het beeld, beweging en nog andere zaken. Ik raad je aan om de opmerkingen op deze website te lezen: http://www.100fps.com/how_many_frames_can_humans_see.htm
      Verder verschilt elk mens en ook het aantal plaatjes dat elk persoon per seconde kan verwerken. Mensen waarvoor de reactiesnelheid een rol speelt zoals een bokser, coureur of straaljager piloot kunnen dit aantal plaatjes per seconde met oefening nog eens verhogen. Uit diverse bronnen is te halen dat een mensenoog vanaf 24Hz vloeiend beeld kan waarnemen maar ook wel 60Hz zou kunnen waarnemen. Een reden om te filmen op 24 of 25 Hz en niet op 60 Hz is dat de kwaliteitstoename bij 60 Hz beperkt is maar dat het totale aantal beeldjes onacceptabel groot zou worden.
      Aangezien we het fenomeen niet aan het blote oog kunnen toeschrijven, zullen we het aantal beeldjes door iets van buiten moeten forceren. Bijvoorbeeld door een stroboscoop of door een film.
      De werking van de stroboscoop op onze waarneming is deze: wij nemen alleen het beeld met grote helderheid (de flits) bewust waar en de andere beelden niet. Hier speelt wellicht mee de snelheid waarmee we op een donker voorwerp kunnen focussen dan wel het gemak waarmee onze hersenen heldere beelden kunnen verwerken. Bij de camera speelt iets gelijksoortig. Hier worden slechts 24 tot 25 beeldjes per seconde vastgelegd. (NB straks zal ik iets vertellen over het auto wiel en een ander experiment wat je kunt uitvoeren)
      Wellicht hebben jullie al gemerkt dat het volgen van een normale waterstraal (zonder dat de speaker aan staat) niet het mooie effect geeft zoals bij het filmpje. Dit heeft ermee te maken dat de frequentie van een repeterende beweging en de frequentie van de waarneming dicht bij elkaar moeten liggen. Door een speaker aan te zetten kun je de frequentie dichtbij die van de camera brengen én een geforceerd regelmatig bewegingspatroon in aanbrengen (ronddraaien of druppelvorming)
      Laten we een simpel voorbeeld nemen. Stel ik heb een kraan waar exact na elke seconde één druppel valt. Als je nu elke seconde een plaatje maakt dan lijkt de druppel stil te hangen in de lucht. De frequentie van de beweging is dan gelijk aan die van de waarneming. (fb = fw beiden 1Hz) Als je de tijd van de waarneming nu iets langer maakt, bijvoorbeeld 1,1 seconde dan heeft de druppel meer tijd gehad om te vallen en is dan ook lager waar te nemen. De waargenomen druppels lijken dan ook langzaam met de stroom mee vallen (fb= 1Hz > fw=0,9Hz)
      Als je het verschil te groot maakt bijvoorbeeld 1,4 seconde, dan is het effect weg want je hebt geen referentie meer met het plaatje ervoor, waarschijnlijk is de druppel dan één keer te zien en één keer niet. Mocht je plaatje wel groot genoeg zijn dan krijg je rond 1,5 seconde een ander fenomeen. Is de druppel die je ziet dan 0, 5 seconde later of juist eerder? Dit zelfde effect zal je hebben bij 0,5s , 1,5s , 2,5s , etc.
      Maken we de waarnemingstijd nu korter dan 1 seconde, namelijk 0,9 seconde dan heeft in het volgende plaatje de druppel de volledige afstand nog niet afgelegd en hangt dan nog boven de vorige druppel. Het lijkt nu of de druppel tegen de stroom ingaat. (fb= 1Hz < fw=1,1Hz)
      Nou is dit voorbeeld belachelijk! Welk kraantje druppelt nou altijd met een exacte frequentie? En is welke situatie nemen alle waarnemers dan ook nog met de zelfde frequentie waar? Dit lijkt uiterst onwaarschijnlijk, hierin ligt de verklaring waarom met het blote oog de het effect in het filmpje niet kan worden waargenomen.

      Maar waarom zien we allemaal de wielen van een auto wel terugdraaien terwijl we elk een andere waarnemingsfrequentie (kunnen) hebben?
      Er speelt hier mee dat we niet elk bij dezelfde snelheid het terugdraaien al waarnemen maar waarschijnlijk liggen de snelheden van waarneming wel dicht bij elkaar. Ook speelt mee hoeveel spaken een wiel heeft.
      Laten we weer een eenvoudig voorbeeld nemen. Stel we nemen een wiel met één spaak. Een wiel met een diameter van 60 cm zal per omwenteling 1,9m hebben afgelegd. Rijdt de auto met 120 km/h (ca. 33 m/s) dan is de draaifrequentie van deze spaak 17-18Hz. Met 5 spaken ligt deze frequentie ook 5 keer hoger op 88 Hz. Bij het versnellen van een auto zal ongetwijfeld een of enkele keren het effect optreden. We weten helaas niet met wel aantal beeldjes per seconde we in deze situatie waarnemen.

      Ik zou nog een experimentje voorstellen:
      Experiment 1: Neem plaats met meerdere personen in een auto en neem waar bij welke snelheid de wielen van een naast rijdende auto stil lijken te staan (je rijdt dan op een weg met minimaal 2 banen per richting.) Eventueel kan dit ook met een spiegel waarmee de wielen van de eigen wagen van binnenuit zijn te zien.
      Experiment 2: Neem een elektromotor en maak hier een wiel of een kartonnen kruis aan vast. Meet het aantal rotaties (bv met een stroboscoop) en test of iedereen het wiel op hetzelfde moment terug ziet draaien. Waarschijnlijk zullen er verschillende waarnemingsfrequenties worden gevonden.

      Tot hier mijn antwoord. Het is wat aan de lange kant geworden.

      Als laatste nog wat links naar het “Wagon Wheel” effect. Succes met het eindwerk.
      Groeten, Silvio Rademaker

      https://en.wikipedia.org/wiki/Wagon-wheel_effect
      https://www.quora.com/Why-do-car-wheels-appear-to-spin-backwards

      Like

Geef hier uw reactie:

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s