Waterkracht op schaal

Met hun poten in de klei hebben de Nederlanders eeuwenlang polders en dijken aangelegd. Zo ontwikkelden zij gevoel voor aarde, water en de natuurlijke krachten en bouwden zij een schat aan ervaring op waarmee ze zeeën en rivieren konden bedwingen. Intuïtie en affiniteit met het fysieke maken nog altijd een belangrijk deel uit van de cultuur van de waterbouwkunde. Maar toch: toen in de jaren twintig de plannen voor de Afsluitdijk werden gemaakt, begrepen de voorzitter van de Zuiderzeecommissie, de natuurkundige en Nobelprijswinnaar Hendrik Lorentz en zijn secretaris de civiel ingenieur Jo Thijsse, dat ze het met de eeuwenoude ambachtelijke feeling alleen niet zouden redden.

Ruim veertig jaar na dato schreef Thijsse – zoon van de bekende bioloog Jac. Thijsse -in zijn indrukwekkende boek over de Zuiderzeewerken: ‘Men sprak wel over het ingenieurs-instinct, dat de goede weg in het onbekende terrein zou kunnen vinden, maar dit instinct is toch eigenlijk, min of meer bewust, een verzameling van ervaringen. Komt er iets geheel nieuws, waarover geen ervaring aanwezig is, dan faalt het ‘instinct’ ook van de beste ingenieur.’
Lorentz koos voor een wetenschappelijke aanpak. Hij geloofde in het belang van een algemene theorie van getijdenberekeningen als basis voor het rekenwerk aan grote projecten als de afsluiting van de Zuiderzee. De Waddenzee met zijn stroomgeulen diende als casus. Voor de getijdenwerking in die geulen ontwierpen ze formules. Computers waren er nog niet. Wel beschikte men over rekenmachines. Maar wilde je daarmee alle relevante condities aan de hand van de opgestelde formules te lijf gaan, dan zou er geen eind aan komen. Lorentz en Thijsse deden daarom een concessie. In de vergelijking die de stroming in de geulen weergaf, stond voor de bodemweerstand een kwadratische term. Die werd lineair gemaakt.

Eerst werd de bestaande toestand in kaart gebracht en nagerekend. De uitkomsten werden met behulp van metingen ter plaatse getoetst aan de werkelijkheid. Daarna werden de te verwachten effecten na afsluiting van de Zuiderzee berekend. Toen de Afsluitdijk klaar was, bleken de berekeningen van de waterhoogten tot op enkele centimeters nauwkeurig te kloppen. Het was een triomf van de theoretische onderbouwing van de waterbouwkunde.

Maar hoe vernieuwend en veelbelovend de theoretische benadering ook was, Thijsse zag er ook de beperkingen van in: ‘De verschijnselen waarmee rekening moet worden gehouden bij niet-permanente stromen in gebieden van ingewikkelde vorm, zoals bij de koppen van onvoltooide dijkvakken, zijn ook met de beste theorie niet exact te beschrijven.’ Daarvoor moest je je toevlucht nemen tot proeven in waterloopkundige laboratoria. In Nederland bestonden die niet. Daarom richtte hij zich voor het ontwerp van de uitwateringssluizen in de Afsluitdijk tot het Wasserbaulaboratorium van prof.dr.ir. Theodor Rehbock in Karlsruhe. Samen met Rehbock deed hij daar de proeven met schaalmodellen. Prof.dr.ir. Wim Uijttewaal, hoofd van het Waterlab, koestert een antiquarisch boekje waarin de metingen van Karlsruhe staan opgetekend. “Die zijn van een ongekende detaillering. Dat vind ik wel heel opvallend gezien de beperkte middelen waarmee werd gewerkt, zoals peilnaalden en – om de watersnelheid te meten – pitotbuizen. Wij gebruiken die middelen hier nog wel bij practica om de studenten de elementaire dingen te laten ervaren, niet om nauwkeurige metingen te doen. Maar in dat boekje zie je aan de uitkomsten dat ze daar heel bedreven in waren.”

Overbodige luxe
Spoedig zou men in Nederland zelf het laboratoriumonderzoek op touw zetten. In 1927 begon Thijsse in Delft, mede geïnspireerd door de experimenten bij Rehbock, met proeven in de kelder van het toenmalige gebouw van Civiele Techniek aan het Oostplantsoen. Het initiatief werd niet met algemeen applaus begroet. De Technische Hogeschool (TH) van een eeuw geleden was in hoofdzaak op praktijkonderwijs gericht. Onderzoek had geen prioriteit. Een pionier als Frederik van Iterson hing in 1913 na drie jaar hoogleraarschap zijn toga aan de wilgen omdat het curatorium van de TH hem geen onderzoeksfaciliteiten toestond. Het was niet nodig, want het diende ‘geen onderwijsbelang’, hadden de bestuurders aan de minister geadviseerd. Toen het college van curatoren enkele jaren later tot inkeer was gekomen en het plan voor een waterloopkundig laboratorium binnen de afdeling weg- en waterbouw alsnog omarmde, vond deze afdeling het om dezelfde reden maar overbodige luxe. De laboratoriumruimte werd in 1924 desondanks in de kelder van het nieuwe gebouw voor weg- en waterbouwkunde opgenomen, maar de afdeling weigerde er gebruik van te maken. ‘Weinig visionair’, oordeelt prof.dr.ir. Jurjen Battjes in zijn biografie over Thijsse. Dat de afdeling het inderdaad bij het verkeerde eind had  mag blijken uit de belangrijke rol die het waterloopkundig laboratorium in de grote waterwerken van de twintigste eeuw zou spelen, maar ook in de opleiding van de talloze jonge ingenieurs die daarin werkzaam zouden zijn.

Thijsse kreeg de leiding. De positie van het laboratorium was in de beginjaren omstreden. Dat had alles te maken met de belangen van verschillende partijen: het ministerie van onderwijs kunsten en wetenschappen waar de TH onder viel, het ministerie van verkeer en waterstaat, en daaronder dan weer de dienst Zuiderzeewerken naast Rijkswaterstaat. Aan het gedoe kwam een einde toen in 1933 besloten werd het waterloopkundig laboratorium in een onafhankelijke stichting onder te brengen. De TH, die weinig affiniteit had getoond, was vanaf dat moment de voorziening kwijt.

Al gauw was er meer werk aan de winkel dan de proeven voor het Zuiderzee-project alleen. Buitenlandse opdrachtgevers meldden zich. Zo werd onderzoek gedaan voor de haven van Zeebrugge en van Abidjan aan de Ivoorkust. Het was de aanloop voor een lange reeks van opdrachten voor het ontwerp van zeehaventoegangen over heel de wereld. Internationaal werd het laboratorium een visitekaartje voor Nederland. Voor hoge buitenlandse gasten kon er aanschouwelijk worden gemaakt wat ons land in de strijd tegen het water vermocht.

De band met de TH werd weer wat nauwer toen Thijsse in 1936 naast zijn functies bij de dienst Zuiderzeewerken en het waterloopkundig laboratorium een leeropdracht in de hydraulica kreeg, die in 1938 werd omgezet in een hoogleraarschap. Daardoor kwamen alsnog veel studenten in aanraking met proeven met schaalmodellen.

Battjes vindt die levende kennismaking van studenten met fysieke processen nog altijd essentieel: “Stromingsleer, waarvan de vloeistofmechanica een onderdeel is, is voor studenten altijd een lastig onderwerp. Het is letterlijk niet grijpbaar. Het verband tussen een verplaatsing en een weerstand, dat bij vaste stoffen heel simpel is op basis van de wetten van Hooke, is bij turbulente vloeistofstromen waanzinnig ingewikkeld. Bovendien kiest stroming zijn eigen profiel. Neem het getij. Hoe hoger het getij, hoe meer diepte, dus des te groter het dwarsprofiel waarover de stroming zich kan verdelen. In de vloeistofmechanica is het domein waarin je de berekening moet doen dus een deel van het probleem. Een andere complicatie is dat er, zodra er maar een beetje stroming is, menging optreedt. Alle natuurlijke stromingen zijn turbulent. Die turbulentie is ook weer een deel van het probleem. Voor studenten is vloeistofmechanica daardoor veel lastiger om grip op te krijgen en zich er voorstellingen bij te maken dan vastestofmechanica. Daarom is het van belang dat studenten die stromingen zelf zien, en dat ze zien dat de vereenvoudigingen die je in de theorie maakt voor de hanteerbaarheid zinnig zijn, zodat je er toch bruikbare voorspellingen mee kunt doen.”

Bij de opening legde prof.ir. Bisschoff van Heemskerck in een artikel in De Ingenieur uit, dat ‘de doelstellingen van het nieuwe TH-laboratorium – vooral in omvang – ver uitgaan boven hetgeen het waterloopkundig laboratorium, dat zelf reeds door praktijkwerk is overbelast, kan bieden’. Terugkijkend moet Uijttewaal een beetje lachen om die passage: “Dat is wel heel erg aanmatigend. Destijds was het waterloopkundig laboratorium misschien niet zo heel groot, maar het was wel groter dan het nieuwe Stevin III-laboratorium.
De aanstaande inkrimping van het waterlab – het grote bassin wordt afgestoten – brengt Uijttewaal ertoe samenwerking te zoeken met Deltares, het voormalige waterloopkundige laboratorium waarmee het hele legendarische Delftse waterbouwavontuur begon. Volgens Uijttewaal helpt het ook dat de doelstelling van Deltares enigszins is veranderd. Zij spelen nu een grotere rol in de kennisontwikkeling. “We weten veel van elkaar. Er zitten diverse promovendi. Veel van onze afgestudeerden en gepromoveerden vinden er werk. En meerdere Deltares-medewerkers hebben een deeltijdaanstelling aan de TU.”

De verstandhouding tussen de twee laboratoria is goed, meldt Uijttewaal, maar toch zoekt hij nog meer contact. Hij hoopt dat activiteiten die straks in eigen huis niet meer mogelijk zijn,  bij Deltares alsnog doorgang kunnen vinden. “Dat is een wens die al tientallen jaren leeft, maar nooit goed is ingevuld. Dat heeft ook te maken met de structuur van de organisaties. Deltares werkt meer projectmatig. Ze hebben opdrachtgevers die zeggen: nu moet het klaar, en dan moet er worden geleverd. Als Deltares voor ons markttarieven zou hanteren, kunnen wij die gewoon niet betalen. Er moeten dus heldere afspraken komen over het gebruik van de faciliteiten.”

Dit artikel is een ingekorte versie van het gelijknamige verhaal uit het decembernummer van Delft Integraal 2009.

Barend Ording (24), luchtvaart- en ruimtevaarttechniek.
Wouter Kalfsbeek, Thomas de Boer, Kristof Bryon, Diane Cleij, Wouter Houg, Constantijn Neeteson, Barend Ording, Noldus Reijnders, Jan Scheepstra, Roel Vleugels: Coanda Aircraft, design of a revolutionary transport system.

“Het Coanda-effect is genoemd naar de Roemeense luchtvaartingenieur Henri Coanda. Hij vond dat onze vliegtuigen onhandig zijn en propageerde de ontwikkeling van toestellen die verticaal opstijgen en landen met zo min mogelijk bewegende delen. Het naar hem genoemde effect, dat gebaseerd is op onderdruk, zou dat mogelijk moeten maken.
Het komt erop neer dat een stroom die zich langs een convex (bol) oppervlak beweegt de neiging heeft met dat oppervlak mee te buigen. Houd maar een lepel met de bolle kant verticaal tegen een straal water, dan zie je dat het water afbuigt in de richting van de lepel. Dat komt door de onderdruk die ontstaat aan de kant waar de lepel afbuigt. Coanda’s opvatting was voor onze groep de uitdaging om aan het project te beginnen.
Wij wilden onderzoeken hoe levensvatbaar het idee van Coanda is. We hebben daartoe het Coanda-effect in een windtunnel getest en de resultaten vergeleken met metingen aan een computermodel. Ons antwoord is nu: wij sluiten het niet uit, maar de luchtauto als praktische toepassing is nog ver weg. De hamvraag hebben we nog niet beantwoord: hoeveel luchtstroom is er nodig om een optimaal effect te krijgen.
Genoeg vragen om verder aan te werken. De projectgroep gaat dan ook door.”

Had jij het bindend studieadvies overleefd?
“Mijn bachelorfase heeft zes jaar geduurd. Daarvan heb ik één jaar bestuurswerk gedaan bij de studentenvereniging Euroavia. Als in mijn tijd een bindend studieadvies had gegolden, zou ik het eerste jaar niet genoeg punten hebben behaald. Toch zou ik geen bindend advies hebben gekregen, want vanwege omstandigheden kreeg ik een vrijstelling. Het bindend studieadvies lijkt me niet effectief. In het eerste jaar kan er veel meer voor studenten veranderen dan alleen de studie. Sommigen hebben daar meer moeite mee dan anderen. Die dertig studiepunten voorspellen niet hoe het in de rest van de studietijd gaat. Zo ben ik voorbij gestudeerd door iemand die in het eerste jaar vier punten had behaald.”