KAREL KNIP 
Eerder verschenen
columns

DE DRAAD
JL HELDRING
HJA HOFLAND
YOUP VAN 'T HEK
ELSBETH ETTY
ROEL JANSSEN
CS VRIJDAG
LEO PRICK

KAREL KNIP

15 januari 2000

IJserectie

Opnieuw terug naar de wetenschapsquiz van afgelopen kerstmis die vorige week op deze plaats besproken werd. Het blijkt dat de NWO-quizcommissie zich met de kwestie piepschuim en lood ernstiger vergaloppeerde dan het zich liet aanzien. De vraag was of hoeveelheden lood en piepschuim van 100 gram die elkaar op aarde in evenwicht houden dat ook zouden doen op de maan. En het bedoelde antwoord was: nee, want op de maan ontbreekt de opwaartse kracht van de lucht.

In werkelijkheid is het enige juiste antwoord: hoeveelheden piepschuim en lood van 100 gram kunnen elkaar juist op aarde niet in evenwicht houden. Weliswaar wordt in het normale spraakgebruik 'gram' ten onrechte als een eenheid van gewicht beschouwd, technisch gesproken wordt er wel degelijk massa mee bedoeld en - wat meer is - in een NWO-vraag waarin het begrip opwaartse kracht wordt geïntroduceerd kan, mag en moet 'gram' voor niets anders staan dan massa.

Anders dan van AW-wege werd aangenomen is het effect helemaal niet klein. Het verschil bedraagt niet een 'fractie van een milligram' maar het bedraagt makkelijk enige grammen. De dichtheid van lucht is hoger dan je denken zou: ongeveer 1,3 gram per liter. En een hoeveelheid piepschuim van 100 gram heeft misschien wel een volume van een paar liter.

De thuiswerkers die besloten na te denken over het vraagstuk dat van AW- wege werd toegevoegd aan het klassieke probleem over het verschil in gewicht tussen een teil met water en een even grote en even volle teil met water waarin een blok hout drijft krijgen vandaag antwoord. Voor het AW-probleem werd aan beide bakken terpentine toegevoegd tot het terpentine-niveau weer even hoog was. Het houtblokt zinkt in terpentine: daardoor lijkt een wat onoverzichtelijke situatie te ontstaan. Maar wie kalm doorrekent en 'Archimedes' blijft toepassen, toont toch binnen een paar minuten aan dat er nu wèl gewichtsverschil optreedt: de bak met blok is lichter.

Let wel: invloeden van de lucht worden buiten beschouwing gelaten. Het proefje was juist bedoeld om wat gevoel te krijgen voor het effect van de gelijktijdige inwerking van twee fluïda op het 'gewicht' van een object. De vervolgvraag: of de opwaartse kracht van de lucht de uitslag van de oorspronkelijke NWO-vraag theoretisch beïnvloedt blijft staan.

Verder met het intrigerende plaatje dat hier staat afgedrukt. Het hadden ook twee plaatjes kunnen zijn, want het afgebeelde groeisel werd met een tussentijd van nog geen twee maanden vanuit twee totaal verschillende posities waargenomen. De getoonde ijspegel verscheen in de nacht van 19 op 20 november 1998 in een tuin in Voorburg. Maar op 10 januari 1999 ontdekte een lezer in Zeist een pegel die er als twee druppels water op leek. De ijspegels waren allebei ongeveer even groot, liepen uit in een typisch puntje en bevatten identieke patronen luchtbellen. Ze waren hoekig op doorsnede.

In beide gevallen ontstond de pegel in een gedeeltelijk met water gevuld vogeldrinkbakje dat 's nachts in de open lucht aan de inwerking van de vrieskou werd overgelaten. De lezers schrijven er zeker van te zijn dat er niets of niemand aan de bevriezende bakjes heeft gezeten en sluiten ook andere mechanische invloeden uit. Geen poezen, geen druppende regenpijpen. Zij willen weten wat hier aan de hand is.

Nu, zekerheden zijn er niet te geven, maar wel bruikbare waarschijnlijkheden. De grootste waarschijnlijkheid is dat het hier iets zo gewoons betreft dat je je moet afvragen waarom het niet veel vaker wordt gezien. De ijsvorming en ijsafzetting in zo'n klein vogeldrinkbakje verloopt anders dan in vijvers, poelen en andere grote wateroppervlakken. Sloten en plassen bevriezen van boven naar beneden omdat de afkoeling aan het oppervlak plaats vindt en het koudste water (van bijna nul graden) dankzij de vermaarde 'anomalie' drijft op het onderliggende warmere water. Bij weinig wind begint het bevriezen bovendien vaak in het midden van het wateroppervlak: daar is de netto uitstraling het grootst.

Kleine bakjes zijn te ondiep voor het ontwikkelen van een temperatuurgradiënt: al het water is er even koud. Bovendien treedt er ook een flinke afkoeling aan de zijkant en zelfs onderkant op. Kortom: klein water bevriest makkelijk vanuit de gehele driedimensionale omtrek. Bij de ijsblokjes uit het vriesvak is dat te zien aan het ophoping van luchtbelletje in het centrum. Daar verzamelt zich de lucht die het groeiende ijs uit het water drijft.

Hoe de gang van zaken nu precies was bij de drinkbakjes is niet helemaal zeker. Gezien de hoekige doorsneden van de ijsobelisken lijkt het erop dat het wateroppervlak van de bakjes aanvankelijk ook helemaal dichtvroor maar dat de toenemende druk in het water een scheur deed ontstaan waardoor in de late uren van de nacht voortdurend water naar boven werd geperst. Het uittredende water bevroor bijna onmiddellijk zodra het uit de scheur welde. Zo ontstond een schoorsteen waarin zich aan het eind van de nacht, toen hij langzaam van buiten naar binnen dichtvroor ook al die luchtbellen vastzetten die dieper in het bakje waren ontstaan. Het schiet wat laat te binnen, maar waarschijnlijk mag je aannemen dat het volume van de schoorsteen hooguit 10 procent bedraagt van het volume water dat aanvankelijk in het bakje zat. Volgens internet zijn de hier besproken 'ice spines' of 'chimneys' geen zeldzaamheid.

Karel Knip