Het schip van de Noorse ontdekkingsreiziger Fridtjof Nansen kwam aan het eind van de 19e eeuw een paar keer vast te zitten in fjorden in de Barentszzee. Het vaartuig, de Fram, vertraagde plots, alsof een mysterieuze kracht het afremde. Dit verschijnsel, dat vaker optreedt, wordt ‘doodwater’ genoemd. Franse onderzoekers komen nu met een verklaring voor het fenomeen.
Al snel na de expeditie van de Fram kwam de Zweedse oceanograaf Vagn Walfrid Ekman, een tijdsgenoot van Nansen, tot de conclusie dat de vertraging door doodwater ontstaat wanneer een schip door water vaart dat uit verschillende lagen bestaat. Dat kan een laag zoet water op zout water zijn, bijvoorbeeld waar smeltwater de zee instroomt, of lagen die sterk in temperatuur verschillen.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Onbestuurbaar door dood-water
Ekman ontdekte dat een schip dat door dit gelaagde water beweegt golven trekt op het grensvlak tussen de twee lagen. Dit gebeurt met name als het schip ongeveer net zo diep het water in steekt als de bovenste laag. Bij bepaalde schipsnelheden ontstaan er dan grenslaaggolven die weerstand uitoefenen op het schip, waardoor het vertraagt en zelfs tot stilstand kan komen. Omdat de druk op het roer hierbij wegvalt, kan het schip ook onbestuurbaar worden.
Omdat de grenslaaggolven zich onder water bevinden, zijn ze niet zichtbaar aan het oppervlak. Daar ziet het water er juist opvallend kalm en vlak uit. Daaraan dankt het fenomeen de naam ‘doodwater’.
De constante afremming die Nansen ervoer, kon Ekman nabootsen in het lab. Daarnaast vond Ekman nog een ander effect: er kon ook een afwisselende versnelling en vertraging optreden. Dit zogeheten peristaltische effect was op zee niet waargenomen.
Deinende loopband
De Franse onderzoekers hebben nu die peristaltische snelheidsveranderingen onderzocht. ‘Hiervoor gebruikten we wiskundige modellen en experimenten in een klein aquarium in het lab’, mailt natuurkundige Germain Rousseaux, van het Franse nationale centrum voor wetenschappelijk onderzoek (CNRS).
De oscillerende snelheidsveranderingen ontstaan als een boot versnelt, zegt Rousseaux. In het lab werd een klein bootje versneld door een gewicht dat met een touwtje aan de boot verbonden is te laten vallen. Bij die versnelling stuwt de boeg van het bootje het water voor zich uit. Deze boeggolven kunnen ook onder water, op het grensvlak optreden. Dit levert een soort golvende loopbandbeweging in het grensvlak op. Door die loopbanddeining wordt het schip afwisselend versneld en vertraagd.
‘Deze deining beweegt met een andere snelheid dan het schip’, zegt Rousseaux. Daardoor lopen ze na een tijdje uit elkaar, waardoor de snelheidsveranderingen van korte duur zijn. De constante vertraging waar Nansen last van had, kan langer duren. Het hield soms een hele dag aan, schreef hij in zijn reisverslag.
‘De verklaring lijkt deugdelijk, maar kan nog niet alles rond dit fascinerende doodwaterverschijnsel verklaren’, zegt hoogleraar Leo Maas van de Universiteit Utrecht. ‘Zo beschrijft het nog niet de door Ekman gerapporteerde observaties dat het lijkt alsof door doodwater ingevangen schepen ‘de hele zee met zich meesleuren’.’
Snellere schepen
De onderzoekers raden schippers die vastzitten in doodwater aan om de stuwkracht van hun boot aan te passen. Welke strategie het beste werkt, willen ze graag nog wiskundig onderzoeken.
‘Het wel of niet ingevangen worden hangt ook van het voortstuwend vermogen van het schip af’, voegt Maas daaraan toe. Motorschepen gaan gemakkelijk sneller dan de typische snelheid van een grensvlakgolf. Zij zullen dus geen last hebben van het doodwatereffect. ‘Zeilboten, roeiboten en kano’s kunnen er echter wel hinder van ondervinden. Zwemmers mogelijk ook.’
Maas deed zelf onderzoek naar doodwater, mede geïnspireerd door precies die vraag: of zwemmers er last van kunnen hebben. Dit om een aantal mysterieuze gevallen van ‘mooi-weer-verdrinkingen’ te kunnen verklaren. Het raadsel van de verdrinkingen is nog niet opgelost. ‘Onze experimenten met zwemmers zijn nog op een te kleine schaal uitgevoerd om daar een definitieve mening over te kunnen vormen.’