Naturfænomens hemmelighed skal afsløres

(Foto: Teis Schnipper)

Vi kender det alle fra sommerperioden.

Det er varmt, og for at svale vores stakkels, bagte ansigt finder vi en lille papirvifte frem.

Men hvad sker der i luften omkring viften, når den fremkalder den svalende brise til vore svedne kinder?

Det uskyldige spørgsmål blev stillet på gangene i bygning 309 i Lyngby, hvor DTU Fysik holder til.

Det frembragte billedet herover som svar.

Det er det, der sker - men derudover er det et hvidt område på det teoretiske landkort, hvor vi ikke kan forklare, hvorfor luften opfører sig sådan.

Kaffen blev kold

På nærværende redaktionen forsøger vi ellers altid at populærformidle ny viden, når de mange dygtige forskere graver sig ned i en problemstilling og løser den. Men denne gang er det ikke muligt. Ganske enkelt fordi naturen har vist sig fra sin mest underfundige og vidunderlige side.

Den har præsteret at overraske en højt specialiseret forskningsgruppe, der lige nu klør sig i alt fra skægget til teorierne for at finde en forklaring på det, vi ser på billedet.

»Vi har at gøre med et hidtil ukendt fænomen fra fysikkens verden,« forklarer ph.d.-studerende Teis Schnipper fra Center for Fluid Dynamik, der i sin tid trykkede på kameraets udløser.

»Det var lidt et eftermiddags-hyggeforsøg, som jeg ville lave over en kop kaffe og af ren nysgerrighed. Men lad mig sige det sådan her: Kaffen fik lov at stå og blive kold, da billedet tonede frem på skærmen. Det her er vitterlig et mysterium og et besnærende et af slagsen.«

Det er sådan, forskerholdet normalt ser hvirveldannelsen bag en mekanisk finne (til venstre), når man gennemfører visualiseringsforsøg. Finnen skaber en hvirvel-allé i sæbefilmen, der strømmer mod højre og viser på den måde, hvordan en fisk skaber fremdrift i vandet ved at sende hvirvlerne bagud. (Foto: Teis Schnipper)

Discovery og National Geographic

Billedet blev fremvist ved American Physical Societys årlige konference for fluiddynamik sidste år. Den vandt ved samme lejlighed en pris som et af verdens fem bedste billeder af bevægelse i væske.

En udmærkelse, der samtidig betød, at både National Geographic og Discovery Channel bragte det ud til hele verden på deres hjemmesider.

Herhjemme har Weekendavisen bragt billedet i stort format, og det er netop optaget til det internationale forskningstidsskrift Physics of Fluids.

Billedet går altså sin sejrsgang over hele verden i kraft af dets strukturer og farver. Men hvad ligger bag det?

Fiskespjæt

For at få en idé om det skal vi nok starte på Søren-og-Mette-så-en-hvirvelstrømning-stadiet.

Det er jo dybt fascine-rende og et fantastisk udtryk for gruppens ar-bejde med fluiddynamik, når et billede som dette i den grad kan tage fusen på os.

- Anders Andersen

Teis Schnipper forklarer:

»Fluiddynamik er, ganske kort forklaret, læren om strømninger i væsker og gasser. Et af vores særlige forskningsområder er de kræfter og strømninger, der opstår, når en fisk basker med sin hale. Der dannes hvirvler omkring finnen, og disse 'kastes' bagud, hvilket sender fisken gennem vandet.«

»Grundlæggende beskrives strømningerne med en væske-udgave af Newtons anden lov. I vores verden hedder den Navier-Stokes' ligning, og den er notorisk kendt for at være ekstremt kompliceret.«

Mekanisk fisk i en sæbehinde

Den forskergruppe, Teis Schnipper er en del af, studerer primært biologisk fluiddynamik og strømninger med frie overflader.

Områder, der blandt andet dækker over, hvordan en fisk bruger sine finner til at skabe fremdrift, og hvordan en vandloppe er i stand til at udføre voldsomme 'spring' igennem vandet.

Forskning, der giver os en fundamental forståelse for naturens opførsel.

En central aktivitet i forskningen er forsøg, hvor man filmer de hvirvler, der opstår i kølvandet på en mekanisk fisk for eksempel. Hvirvlerne visualiseres ved at lade en mekanisk finne baske i en sæbehinde, der er i bevægelse.

Brugen af sæbehinden gør det muligt at se hvirvlerne med stor tydelighed, og de hvirvler, der dannes af finnens bevægelse, bliver så filmet og fotograferet for at skabe grundlæggende forståelse for, hvordan hvirvlerne dannes omkring finnen og for eksempel lader fisken skifte retning med et enkelt spjæt.

Flere effekter på spil

De fire fluidforskere på billedet har blottet et ukendt naturfænomen ved at baske med en mekanisk vifte i en sæbefilm. Her viser de dog en anden anvendelsesmulig-hed med ingredienserne, til ære for fotografen. (Foto: Ditte Valente)

Her er den fundamentale forskel i forsøgstilgangen, der har påvist dette hidtil ukendte fænomen:

For da viften blev fotograferet, skete det i en sæbehinde, der lå stille og vandret.

Modsat de normale, hvor sæbefilmen strømmer lodret nedefter, mens finnen skaber en lang allé af hvirvler.

På den måde har man nu det, som forskerne ikke kan forklare.

Man får indtrykket af højt kompetente fluidforskere, der er lidt på udebane i et område, de har indgående kendskab til og flotte forskningsresultater inden for.

»Jeg havde forventet at se en hvirveldannelse, som den, vi ser i de normale forsøg, hvor sæbefilmen er i bevægelse. Men der er flere effekter på spil i dette billede, hvor sæbefilmen i øvrigt er stationær,« forklarer Teis.

Øjnene, der ser

Den faglige nysgerrighed har bidt sig fast i den lille gruppe, hvis ypperste mål er at opdage og udforske nye strømningsfænomener og at besvare fundamentale spørgsmål om væskestrømninger i natur og teknik.

»Helt banalt analyseret, så har vi her en visualisering af Newtons anden lov udtrykt i væske, og vi kan genkende visse strukturer i hvirvlernes formationer, som vi ser i kendte forsøg. Men derudover....«

»Jamen, det er jo dybt fascinerende og et fantastisk udtryk for gruppens arbejde med fluiddynamik, når et billede som dette i den grad kan tage fusen på os,« siger lektor Anders Andersen med et begejstret glimt i øjet.

Bevarer strukturer

»I dette billede er det især stabiliteten i strukturen, der forundrer. Sporene efter hvirvlerne er bemærkelsesværdigt stabile: Hvis man går på opdagelse i billedet, så er det tydeligt at se, hvordan hvirvelstrukturerne efterhånden ophobes og presses sammen i rækker, der bøjes op som smukke sommerfuglevinger. Men det sker, uden at hvirvlernes struktur kompromitteres.« 

»Det er muligt at finde den første hvirvel, som finnen skabte ved at gå helt ind og se på 'øjet' i vingerne. Historikken er bevaret i sæbefilmen. Det er dette fænomen, vi ikke kan forklare nu. Hvad ligger bag denne tilsyneladende hukommelse mellem finnen og hvirvelformationen?«

Historien skabes herfra

Der er en lang række faktorer, der nu skal skilles ad og dechifreres for at kunne løse viftens mysterium.

VIDSTE DU

Gruppen, der har dokumenteret fænomenet, kaldes 'Complex Motion in Fluids Group'.   Den består af: Professor Tomas Bohr, lektor Anders Andersen, samt ph.d.-studerende Teis Schnipper og Laust Tophøj.   Forskningen dækker - ud over fisk og vandlopper - blandt andet saftstrømninger i træer og mønsterdannelser i strømninger.

Til det mål har gruppen sat to fagprojektstuderende, Michael Wismer og Mattias Palsgaard, til at rekonstruere de hvirveldannelser, som billedet viser.

Derefter skal de blandt andet at måle på hastighederne, som de forskellige lag har hver især. Det er intet mindre end et pionerarbejde, hvor intet er givet på forhånd:

»Vi er faktisk der, hvor det er os, der skal navngive fænomenet og finde frem til valide forklaringer på, hvad det er, der sker. Matematikken findes ikke. Teorien findes ikke. Betegnelserne findes ikke. Men billedet har vist os, at dette fænomen findes, og åbner for indsigt i et hidtil ukendt mysterium.«

»Jeg har bidt mærke i, at flere højt respekterede forskere har udvist stor interesse for billedet - uden at kunne komme med en forklaring. Hvis bare jeg kunne kigge ind i deres hjerner for en stund, så er jeg sikker på, at billedet ligger og rumsterer i mange kloge hoveder rundt omkring,« afslutter Teis Schnipper.

Reference og links
Teis Schnippers profil på DTUs hjemmeside Anders Andersens profil på DTUs hjemmeside Læs også på Videnskab.dk: Sådan tæmmer vi vinden Hvad er et aerodynamisk design? Kold fusion i hønsegården Sæt en cola-vulkan i udbrud

Lavet i samarbejde med Danmark Tekniske Universitet