Spiralen helpen de natuur

Leeftijd: 8-12 jaar

Duur activiteit (exclusief uitleg): 10 minuten

Introductie

Kwetsbaar zeewier kan zwarte zeestromingen overleven door een spiraalvorm aan te nemen.

Zeewier heeft een manier gevonden om met zware zeestromingen en stormen om te gaan: het neemt een spiraalvorm aan. Deze vorm volgt namelijk het pad van de minste weerstand.

Een spiraal is een gebogen vorm die rond een centraal punt draait. Er zijn veel verschillende soorten spiralen, elk met hun eigen unieke eigenschappen en kenmerken. In de natuur zien we veel spiralen; bijvoorbeeld in slakkenhuizen, waar ze voor extra stevigheid en bescherming zorgen.

Uitvinder Jay Harman zag als kind hoe zeewier spiralen vormt. Het viel hem op dat deze vorm op veel meer plekken in de natuur terugkomt: in waterstromen, op schelpen en op zonnebloemen.

Later in zijn leven bestudeerde Harman de wiskunde achter spiralen in waterstromen. Deze kennis paste hij toe om een apparaat te ontwerpen dat veel minder energie en materiaal gebruikt dan bestaande apparatuur. Hoe kan dit?

Voorbereiding activiteit

Voor deze activiteit heb je een aantal plastic flessen (afhankelijk van de hoeveelheid leerlingen) en een timer nodig.

Hoe beïnvloedt de vorm van waterstromingen de snelheid waarmee water wegstroomt?

1. Maak groepjes van 3. Ieder groepje krijgt twee (plastic) flessen water en een timer.
2. Twee leerlingen nemen de flessen water en gaan een wedstrijd aan om het water zo snel mogelijk uit hun fles te krijgen. De ene leerling probeert het water uit de fles te krijgen door de fles op en neer te schudden; de andere leerling door de fles in cirkels te bewegen. De derde leerling houdt de tijd bij.
   • Wie heeft als eerste een lege fles? Waarom denk je dat dit gebeurt?

Simpele uitleg

Je ziet water in een spiraal stromen als je een vol bad laat leeglopen. Het water is al in beweging voordat je de afvoer opent, hoewel waarschijnlijk te langzaam om het op te kunnen merken. Wanneer je de afvoer opent, wordt de beweging van het water versneld omdat het door een smaller kanaal moet stromen. Het water dat door de afvoer gaat beweegt sneller dan het water verder van de afvoer. Wanneer het water op de ene plaats sneller beweegt dan op een andere plaats, begint het te draaien en zie je een spiraalvorm verschijnen. Dit type spiraal wordt ook wel een groeispiraal genoemd.

Uitgebreide uitleg

Wanneer water rond draait, ontstaat er een lagedrukgebied in het midden van de cirkel. Het lagedrukgebied zuigt meer water uit de omgeving op. Door deze kracht gaat het ronddraaiende water steeds sneller. Dit fenomeen staat bekend als een vortex: een draaikolkje van water die ontstaat als een vloeistofstroom rond een as draait. De grootte en het gedrag van een vortex in een leeglopend bad wordt beïnvloed door verschillende factoren, zoals de grootte en vorm van het afvoergat, de viscositeit en temperatuur van het water, en eventuele obstakels die de stroming blokkeren.

Hoe een spiraalvorm zeewier helpt

Kelp, een grote bruine zeewiersoort, draait in spiralen door de beweging van zeestromingen. In zeeën en oceanen wordt water blootgesteld aan sterke stromingen en golven. Wanneer water rond de kelp beweegt, ontstaat er wrijving, waardoor de kelp gaat zwaaien en buigen. Na verloop van tijd kan het herhaaldelijk buigen van de kelp ervoor zorgen dat hij in een spiraalvormig patroon groeit. Zo probeert de kelp het pad van de minste weerstand in de stroming te vinden. Deze spiraalvormige groei kan worden beïnvloed door verschillende factoren, zoals de richting en kracht van de stroming, de aanwezigheid van andere onderwaterstructuren en de biologie en fysiologie van de kelp zelf.

De spiraalvormige groei van kelp heeft verschillende ecologische voordelen. Het vermindert eventuele schade veroorzaakt door stromingen, waardoor de overlevingskans van de kelp groter wordt. Daarnaast kan de spiraalvorm het beschikbare oppervlak voor fotosynthese vergroten (de kelp kan namelijk langer groeien) en het vermogen van de kelp om voedingsstoffen en zonlicht te absorberen verbeteren.

Geïnspireerd door de stromingspatronen van water in de natuur, creëerde Jay Harman de 'lily impeller': een pomp die watervortices nabootst met een reeks bladen die in een spiraalvormig patroon zijn gerangschikt. De spiraalvorm van de bladen zorgt voor een soepele, niet-turbulente waterstroom met lage weerstand. Door deze soepelheid kan de impeller draaien met minimale energie-input, wat handig is als je iets in water moet mengen of moet laten circuleren. Zo bespaar je niet alleen energie, maar ook geld. Ook vermindert de zachte waterstroom van de lily impeller het risico op schade aan vissen en andere waterdieren. De lily impeller wordt gebruikt voor onder andere (afval)waterbehandeling en industriële processen.

• Nederlands: Kerndoel 2, Kerndoel 3, Kerndoel 12
• Oriëntatie op jezelf en de wereld: Kerndoel 34, KErndoel 35, Kerndoel 39, Kerndoel 40, Kerndoel 41, Kerndoel 42
• Bewegingsonderwijs: Kerndoel 57, Kerndoel 58

• In deze video zie je de lily impeller van Jay Harman.
• Deze video legt uit hoe spiralen in de natuur werken.
• Hier zie je hoe kelp in oceanen beweegt.
• Hier lees je meer over watervortices.
• Turbulent maakt waterturbines op basis van het principe van vortices die energie opwekken.