»Fantastisk eksperiment«: Skib flyder på hovedet i svævende væske

Hvis du trykker play i videoen ovenfor, vil du se et fænomen, som du aldrig før har set:

Et fænomen, som trodser vores intuitive forståelse af, hvordan tyngdekraften fungerer, og hvordan objekter flyder på væsker.

Videoen viser nemlig et eksperiment opstillet af franske forskere, som ikke alene kan få en væske til at svæve ovenpå luft. De kan også få et lillebitte skib til at flyde på hovedet på undersiden af den svævende væske.

»Det er et fantastisk eksperiment. Det er relativt simpelt, og det utrolige er netop, at man stadig kan gøre nye opdagelser med simple eksperimenter. Og jeg tror rent faktisk, at man vil kunne anvende den effekt, som de har opdaget, i praksis,« siger Alexander Shapiro, som er lektor og kemingeniør ved Danmarks Tekniske Universitet.

Trylleri?

Wow.

Det lyder jo næsten som læsning fra en bog om tryllekunster, men eksperimentet er faktisk beskrevet i den seneste udgave af det videnskabelige tidsskrift Nature.

Men hvordan i alverden kan det lade sig gøre?

For at kunne forklare fysikken bag den svævende væske og den omvendte sejlads, fortæller Alexander Shapiro os en historie, som begynder i hans eget fødeland, Sovjetunionen.

Her blev den berømte og nobelprisvindende fysiker Pyotr Kapitsa (1894 – 1984) nemlig udklækket. Og på trods af ekstremt vanskelige arbejdsforhold under Stalins terrorregime – som udstedte en ordre om at dræbe ham - lykkedes det Kapitsa at gøre flere vigtige opdagelser.

»Efter Anden Verdenskrig startede Sovjetunionen et program for at skabe en atombombe, og Kapitsa var en af de dygtigste fysikere i landet. Men han afviste fuldstændigt at medvirke til atomprogrammet, selvom det selvfølgelig var risikabelt for ham,« fortæller Alexander Shapiro, som selv flyttede til Danmark fra Rusland for mere end 25 år siden.

»Derfor var han nødt til at opsige alle sine stillinger, og han flyttede på landet, hvor han skabte sit eget lille laboratorium. Og her begyndte han at lave simple fysik-eksperimenter.«

Kapitsa-effekten

Selvom Kapitsas nye laboratorium på landstedet var simpelt, kunne han i 1951 skabe et eksperiment, som førte til opdagelsen af den såkaldte Kapitsa-effekt.

Kapitsa-effekten er essentiel for det nye studie, og derfor gør Alexander Shapiro en dyd ud af at forklare, hvad effekten går ud på. Det gør han ved at bruge et eksempel, hvor du skal forestille dig, at du forsøger at balancere en lille pind – det kan være en blyant – på din finger.

»Hvis du holder fingeren meget forsigtigt, kan du finde et punkt, hvor pinden er i ligevægt og balancerer på fingeren. Men hvis du bevæger fingeren bare en smule, vil pinden falde til jorden. Blandt fysikere siger vi, at der findes en ligevægt i systemet, men den er ikke stabil,« forklarer Alexander Shapiro.

Et omvendt pendul

Hvis du øver dig i tricket, vil du måske opdage, at du kan bringe pinden i balance ved at bevæge din finger en smule, fortæller Alexander Shapiro.

»Hvis pinden er ved at falde til jorden, og du forsigtigt bevæger fingeren, vil du opdage, at du kan bringe den i balance igen. Og hvis du begynder at bevæge fingeren forsigtigt og taktfast på den rigtige måde, kan du få pinden til at blive på din finger. Bevægelserne gør systemet mere stabilt og bringer det i ligevægt,« forklarer Alexander Shapiro og tilføjer:

»Og det var netop dennne simple effekt, som Kapitsa opdagede; at vibrationer hjælper med at opretholde ligevægten i et system, som ellers ikke er stabilt. Ligesom vibrationerne kan få pinden til at blive på din finger.«

Da Kapitsa gjorde sin opdagelse var det ikke en pind, han balancerede med, men derimod et pendul, som han fik til at stå på hovedet ved hjælp af vibrationer – du kan se en kopi af Kapitsas eksperiment i videoen herunder.

Derfor svæver væsken

I det nye studie påpeger forskerne netop, at det er Kapitsa-effekten, som er årsagen til, at deres væske kan svæve. De giver altså væsken en ordentlig rystetur op og ned (vertikalt), og dermed opfører væsken sig altså højst mærkværdigt.

I sig selv er væsker, som svæver over luft, imidlertid ingen nyhed. Allerede for flere årtier siden viste forskere, at voldsomme vibrationer med høj frekvens kunne føre til både ’svævende’ væsker samt gasbobler, som synker til bunds frem for at stige opad - ligesom hvis boblerne i din sodavand sank nedad frem for at bruse op.

»Når væske befinder sig oven på luft, er det et ustabilt system. Tyngdekraften vil normalt sørge for, at væsken falder til bunds. Men hvis du vibrerer væsken hurtigt nok, kan det skabe ligevægt i systemet, så væsken bliver liggende ovenpå luften. På grund af Kapitsa-effekten,« forklarer Alexander Shapiro.

Sådan gjorde forskerne

I det nye studie har forskerne brugt nogle meget tyktflydende væsker - enten silikone-olie eller glycerin, som er en slags alkohol.

De puttede op til en halv liter væske ned i en beholder på op til 20 centimeter i diameter. Beholderen og væsken blev sat til at vibrere med meget høj frekvens. Herefter tilsatte forskerne luftbobler nederst i beholderen – og vupti; væsken forblev, hvor den var. Ovenpå luften.

»De skriver i studiet, at det skyldes Kapitsa-effekten, men de diskuterer ikke, om væskerne måske kan klistre til siderne i beholderen. Systemet kan også blive påvirket af overfladespændinger i væsken, men det nævner de heller ikke,« siger Alexander Shapiro.

»Så hvis jeg skulle sige noget kritisk om studiet, skulle det være, at jeg ikke er 100 procent overbevist om, at det udelukkende er Kapitsa-effekten, som holder væsken på plads. Andre kræfter kan også være på spil.«

Et nybrud

Uanset, hvad der er på spil, får forskerne under alle omstændigheder væsken til at svæve ovenpå luften i beholderen. Og så er vi nået frem til nybruddet i studiet.

For når forskerne sætter en lillebitte båd (op til 7 gram og 2,5 centimers længde) ind i den vibrerende beholder, kan de få den til at flyde på undersiden af væsken.

»Det er helt nyt, og det har man ikke set i andre eksperimenter – at et objekt kan flyde på hovedet. Det går fuldstændig imod, hvad vi normalt lærer om, hvordan objekter kan flyde. Så derfor er de selvfølgelig også nødt til at forklare fænomenet,« fortæller Alexander Shapiro.

Forskerne fremsætter i studiet en simpel matematisk-fysisk forklaring på de omvendt flydende skibe. Den bygger videre på den viden, som vi i forvejen har om, hvordan objekter normalt flyder på væsker.

Arkimedes lov

Hvis for eksempel et skib flyder på en væske – det kunne være havvand – vil det normalt være påvirket af følgende kræfter:

• Tyngdekraften, vil trække skibet nedad i vandet
• Opdriften – også kendt som Arkimedes lov- vil trække skibet opad

Disse to kræfter vil altså bestemme, hvor dybt et skib – det kunne være et legetøjsskib - vil stikke ned i vandet, når du sætter det ud på havet.

»Når skibet flyder på havet, er det i ligevægt. Hvis du trækker skibet lidt opad, vil tyngdekraften hurtigt trække det ned på plads igen. Og hvis du skubber det nedad i vandet, vil opdriften hurtigt sende skibet op på plads igen, når du slipper det. Så systemet er stabilt, og skibet flyder,« forklarer Alexander Shapiro.

Trodser Arkimedes

Forestil dig nu, at du i stedet sætter legetøjsskibet ud på undersiden af den svævende væske. Skibet vil stadig være påvirket af de samme kræfter, men hvad vil der ske?

»Tyngdekraften vil trække skibet nedad mod bunden af beholderen. Men samtidig vil opdriften skubbe skibet opad i væsken. Det sidste virker umiddelbart ulogisk, men du skal forestille dig, at skibet vejer mindre end væsken, så derfor vil det søge opad, ligesom en luftboble,« forklarer Alexander Shapiro.

Tyngdekraften vil altså trække skibet nedad mod bunden af beholderen, mens opdriften vil skubbe skibet opad i væsken.

»Under normale omstændigheder vil systemet være ustabilt, og skibet vil enten ryge til bunds i beholderen eller ryge op til overfladen af væsken. Men fordi det hele vibrerer, bliver systemet stabilt, og båden bliver liggende på undersiden,« forklarer Alexander Shapiro.

»Så det er Kapitsa-effekten, som er på spil. Det er den samme slags effekt, som når du balancerer pinden på din finger, men i stedet for at få pinden til at blive på din finger, får vibrationerne bare skibet til at blive på undersiden af væsken.«

»Eksotisk og ulogisk« klassiker

De franske forskere bag eksperimentet beskriver selv deres opdagelse som »eksotisk og ulogisk« - og Alexander Shapiro glæder sig til selv at kopiere forskernes eksperiment i sit laboratorium.

»Det er et virkelig sjovt eksperiment, og jeg har lyst til vise det til nogle børn med det samme. Jeg tror det vil blive en klassiker i skole-laboratorier. Men jeg er faktisk også ret overbevist om, at kemiingeniører formentlig vil kunne bruge det i praksis,« siger Alexander Shapiro.

Han uddyber, at det nyopdagede fænomen måske vil kunne anvendes til at rense vand.

Praktisk anvendelse?

Allerede i dag bruger mange kemiingeniører nemlig gasbobler til at rense beskidt vand eller andre væsker.

»Hvis du for eksempel skal rense muddervand, kan du sende gasbobler igennem vandet, og når de bevæger sig opad, vil de tage mudderet med sig. Så boblerne kan bringe mudderet op til overfladen, hvor du kan opsamle det. Det er en af de mest anvendte metoder, når den kemiske industri skal fjerne kemikalier eller partikler fra væsker,« fortæller Alexander Shapiro og fortsætter:

»Og da jeg læste studiet, fik det mig til at tænke på; hvorfor ikke få boblerne til at bevæge sig nedad, så man kan i stedet kan opsamle skidtet på bunden og have mere kontrol over det. Jeg ved ikke, om det er muligt, men jeg har allerede diskuteret det med en kollega.«

»Stort potentiale«

Alexander Shapiro er ikke den eneste, som ser anvendelsesmuligheder i det mystiske eksperiment.

I en tilhørende nyhedshistorie i Nature skriver to udenforstående forskere, at fænomenet kan have et »stærkt potentiale for praktisk brug« inden for blandt andet spildevandsrensning og oprensning af mineraler.

»Apffel and hans kollegers arbejde (de franske forskere bag studiet, red.) indikerer, at vi stadig kan opdage mange bemærkelsesværdige fænomener i vibrerende mekaniske systemer, især i grænseflader mellem gasser og væsker, og dermed er der et stort potentiale for fremtidig forskning,« skriver forskerne Vladislav Sorokin og Iliya I. Blekhman i en kommentar til studiet.