– Da bildene kom opp på dataskjermen, var det den beste dagen på jobb noensinne, sier Simen Ådnøy Ellingsen, førsteamanuensis ved Institutt for energi- og prosessteknikk ved NTNU.

Da hadde stipendiat Benjamin Keeler Smeltzer og masterstudent Eirik Æsøy sett i laben at Ellingsen hadde rett. Han fikk oversendt bildebevisene fra dem. For fem år siden utfordret Ellingsen en sannhet fra 1887, bare bevæpnet med papir og blyant. Og vant.

Han løste et problem med den såkalte Kelvin-vinkelen i båtvaker, som i 127 år hadde vært sann. Båtvaken er altså V-formen som en båt eller and eller kano lager når den beveger seg fremover i vannet. Du har sett den.

Alltid en vinkel på 39 grader

Ifølge god kunnskap og vedtatte sannheter skulle vinkelen på det V-formede kjølvannet etter båten din alltid ligge i underkant av 39 grader om vannet ikke er for grunt. Enten det er bak en supertanker eller en svane, skulle dette gjelde. Alltid. Eller ikke.

For som med annen god kunnskap og andre vedtatte sannheter var dette feil, i hvert fall at det absolutt alltid er sånn. Ellingsen viste det.

– For meg var dette et nytt felt, og ingen fortalte meg at det var vanskelig, som Ellingsen forklarte det den gang.

Båtvaken kan nemlig ha en helt annen vinkel under spesielle strømforhold, og skjev i forhold til fartsretningen kan den også bli. Det vesentlige er at strømmen er forskjellig i forskjellige vannlag, såkalt «skjærstrøm». Da gjelder ikke Kelvins teori.

– Det behøvdes genier som Cauchy, Poisson og Kelvin for å løse disse bølgeproblemene for første gang selv under de enkleste betingelsene, nemlig stille vann. Det er mye enklere å komme etterpå og se på mer generelle tilfeller, slik vi gjør, sier Ellingsen.

Oppdaget skjeve ringer

Ringbølger blir også skjeve under slike spesielle forhold. Kaster du en stein i en dam en vakker sommerdag, blir bølgemønsteret perfekte sirkler. Men ikke på en skjærstrøm. Da kan ringene bli avlange.

Ellingsen forutså dette også og utvidet teorien til Cauchy og Poisson fra 1815.

– Like etter sto jeg på ei strand i Nederland og så på strømmen når vannet renner tilbake igjen etter en bølge. Jeg lagde noen ringer i vannet, og da bildene på mobilen så ganske skeive ut, ble jeg temmelig gira. Det var jo ikke vitenskap. Nå er det vitenskap! sier Ellingsen.

Egenutviklet testbasseng

Dermed havnet Ellingsen på førstesiden av tidsskriftet Journal of Fluid Mechanics. Men foreløpig var alt teori, og var ikke påvist ved hjelp av praktiske forsøk.

Men nå er det praktiske beviset også på plass, i stor grad takket være stipendiaten og masterstudenten som greide å utføre eksperimenter i et egenutviklet testbasseng. Ellingsen har vært veileder for dem.

Eirik Æsøy har blant annet bakgrunn som tekniker, og dermed sparte de både tid og penger. Det tok bare et halvt år å få laboratoriet på plass.

– Æsøy og jeg satte opp utstyret for å lage strømforholdene vi trengte, og målte bølgemønsteret, sier Smeltzer.

Nå publiseres også resultatene fra disse eksperimentene i nettopp Journal of Fluid Mechanics, det virkelig store fagtidsskriftet innenfor området fluidmekanikk.

– Det er jo spesielt at eksperimentene våre i det beskjedne lille bassenget vårt blir publisert der, sier en tydelig fornøyd Smeltzer.

Kan redusere bruken av drivstoff

Resultatene fra forskningen på Kelvin-vinkelen kan for øvrig også ha rent praktiske konsekvenser i form av blant annet redusert drivstofforbruk hos skip. Mye av drivstoffet går nemlig med til å takle bølger og strøm.

– Under seiling kan drivstofforbruket mer enn dobles nedstrøms som oppstrøms, gir Ellingsen som eksempel.

Beregningen er gjort med tall fra strømningen i munningen av Colombia River i Oregon i USA. Der er strømmen sterk og båtene mange.

Forskning på bølger og skip kan dermed bli nyttig for alle som er interessert i å redusere forbruket.

Båtvake foran båten

Ellingsen ser for øvrig på sine resultater som en utvidelse av Kelvins teori, ikke som en avvisning. Det er nemlig sant at vinkelen er den som Kelvin fant så lenge du har stille vann under vannflaten.

Men når du får bevegelse i vannlagene, der vannet i de ulike lagene beveger seg med ulik hastighet, endrer vinkelen seg. Noen ganger mye. I teorien, med ekstremt sterk strøm fra siden, så mye at båtvaken kan komme foran båten din på den ene siden.

– Men da bør du nok finne deg andre farvann å seile i, mener Ellingsen.

Referanse:

Benjamin K. Smeltzer mfl.: Observation of surface wave patterns modified by sub-surface shear currents. Journal of Fluid Mechanics, 2019. (Sammendrag) https://doi.org/10.1017/jfm.2019.424

Artikkelen er produsert og finansiert av NTNU

NTNU er én av 77 eiere av forskning.no. Deres kommunikasjonsansatte leverer innhold til forskning.no. Vi merker dette innholdet for å tydelig skille formidling fra uavhengig redaksjonelt stoff.
Her kan du lese mer om ordningen.

Vil avdekke Jan Mayens hemmeligheter

Fang-og-slipp-fiske er verre for fisk enn antatt

Jordas historie viser hvor jordskjelv rammer