"Drogen sneldrogende handdoeken daadwerkelijk sneller? Kun je een meetopstelling bouwen om dit te testen?"

Ik reageerde enthousiast toen de redactie van Kassa me die vraag stelde: deels omdat ik denk dat het duidelijk kan laten zien hoe wetenschap werkt en deels omdat ik er echt naar uitkeek om na al het werk met data (en software) weer zelf een experiment te doen.

De experimentele opzet (hoe gaan we meten?)

Als iemand die eerder wetenschapscommunicatie op televisie heeft gedaan, was ik positief verrast hoe nauwgezet het team van Kassa het experiment benaderde. Aangezien ze op tv een claim willen maken over welk merk handdoek het snelst droogt, willen ze terecht zeker weten dat de experimentele methode die wordt gebruikt om tot de conclusie te komen, degelijk is. We hebben ongeveer drie pogingen gedaan om een "experimenteel protocol" op te stellen waarin precies word beschreven hoe we het experiment zouden uitvoeren.

We hebben al snel het idee van het continu wegen van de handdoeken laten varen. We willen een 'realistische' opzet, dus we hebben de handdoeken buiten in de wind aan een waslijn gehangen, zo dicht mogelijk bij hoe mensen normaal gesproken handdoeken drogen. Als we ze elke minuut zouden moeten verwijderen en wegen, zouden er veel fouten worden geïntroduceerd bij het weghalen en ophangen. Als we ze aan rekstroken (gewichtsmeetinstrumenten) zouden ophangen, zou dit ook niet werken vanwege de ruis door de krachten van de turbulente wind die erop werken.

Aangezien verdampend water zijn omgeving afkoelt, zou een drogende handdoek koeler moeten zijn dan een vergelijkbare handdoek die aan vergelijkbare wind- en temperatuurcondities wordt blootgesteld. Dat is waarom mensen zweten: om af te koelen! Als we een natte handdoek direct onder een droge handdoek van hetzelfde merk hangen en het temperatuurverschil tussen de twee volgen, kunnen we concluderen dat de natte handdoek volledig is opgedroogd wanneer het temperatuurverschil tussen hen verdwijnt: er is geen water meer om te verdampen en dus geen afkoeling meer. Uit een snelle schatting blijkt dat dit effect enkele graden Celsius groot zou moeten zijn, dus dat is met een thermische (infrarood) camera goed te meten. Ik weet dat collega Martin Tenpierik van de faculteit Bouwkunde een hoogwaardige thermische camera heeft die hij gebruikt om warmte-lekken van gebouwen te bestuderen! Bovendien is "the green village", een "proeftuin voor duurzame innovatie" op onze campus, de ideale locatie om een waslijn met handdoeken op te zetten en te meten hoe snel ze drogen. Voor de uiteindelijke meetopstelling hebben we het volgende vastgesteld:

• 5 verschillende merken "sneldrogende handdoeken" worden vergeleken, plus een klassieke katoenen handdoek als controle.

• Alle handdoeken zijn identiek van formaat (25 x 25 cm).

• We hebben twee handdoeken per merk: een die nat wordt gemaakt en een die gedurende het hele experiment droog blijft als controle.

• We bouwen een waslijn waar de twee handdoeken van hetzelfde merk direct boven elkaar kunnen worden opgehangen, zodat ze dezelfde buitentemperatuur en windcondities ervaren.

• Alle natte handdoeken worden bevochtigd met dezelfde hoeveelheid water (25 ml) met behulp van een (zeer nauwkeurige, 0,1 g) keukenweegschaal.

• De natte handdoeken worden in een afgesloten container bewaard tussen het bevochtigen en het ophangen aan de waslijn om verdampingsverliezen tijdens die periode te minimaliseren.

• Alle handdoeken worden tegelijkertijd opgehangen (teamwerk, allemaal binnen één minuut).

• Een thermische camera met een resolutie van 640 x 480 pixels van FLIR wordt op een statief geplaatst op 5 meter van de waslijn, met alle handdoeken in beeld.

• De camera slaat de temperatuurvideo-informatie niet direct op, dus met behulp van een laptop die via USB op de camera is aangesloten, wordt de meting van de camera in realtime weergegeven op het laptopscherm. Met behulp van schermopnamesoftware wordt dit opgenomen, waardoor een video van het hele experiment ontstaat.

• Het experiment wordt minstens drie keer herhaald, met een andere volgorde van de verschillende merken, om ervoor te zorgen dat zaken als "randeffect" de conclusies niet beïnvloeden.

Data-analyse (hoe hebben we bepaald welk merk het snelst droogde?)

Het ruwe resultaat van het experiment bestaat uit vier vrij grote mp4-video's met de metingen van de thermische camera. Tijdens het experiment konden we al duidelijk zien dat sommige handdoeken sneller droogden dan andere, maar dit moet natuurlijk numeriek worden bevestigd!

Het moeilijkste deel van de data-analyse is het bepalen van hoe kleur in de video van de thermische camera relateert tot de temperatuur van het object. Gelukkig wordt er ook een temperatuurschaal in het venster weergegeven. Ik heb een stuk software geschreven dat identificeert waar in de afbeelding de temperatuurschaal zich bevindt en een koppeling maakt van kleur naar temperatuur. Vervolgens heb ik voor elk frame van de video, voor elke handdoek, de gemiddelde (rode, groene en blauwe) waarden van de pixels van die de handdoek bepaald en mijn koppeling gebruikt om de temperatuur te bepalen. Dit resulteerde in een temperatuurmeting over de duur van de experimenten voor elke handdoek. Er waren een paar momenten waarop de screensaver van de laptop werd geactiveerd en een paar keer liepen mensen voor de camera langs. Dit is duidelijk te zien in de temperatuurgegevens als pieken. Ik heb deze uitgefilterd door een "rolling median" toe te passen met een venster van tien seconden. Dit betekent dat ik in tien seconden temperatuurgegevens zoek naar de mediaanwaarde en die toewijs aan het midden van het venster. In de gefilterde gegevens kon ik duidelijk het verschil zien tussen de natte en de droge handdoek en ook dat beide handdoeken op hetzelfde moment omhoog of omlaag gingen in temperatuur wanneer bijvoorbeeld de zon tevoorschijn kwam van achter de wolken. Om ervoor te zorgen dat deze variaties de exacte bepaling van het moment waarop ik beide temperaturen als gelijk beschouwde (en dus dat de natte handdoek droog was), niet beïnvloedden, heb ik een voortschrijdend gemiddelde met een lengte van een minuut toegepast. Uiteindelijk heb ik de temperatuur van de natte handdoek afgetrokken van die van de droge handdoek. Door te bepalen wanneer dit verschil nul wordt, kan ik bepalen wanneer een natte handdoek volledig is opgedroogd. Zie de onderstaande figuur voor het effect van de filterstappen op de resultaten.

Tot slot heb ik een gifje gemaakt waarin de resultaten voor alle merken worden weergegeven als een klein filmpje, zodat je duidelijk kunt zien welk merk als eerste is opgedroogd door te kijken naar welk merk als eerste een temperatuurverschil van nul bereikt.

Alle code die ik heb geschreven, inclusief uitleg over de betrokken natuurkunde, heb ik openlijk gedeeld op GitHub. Als je wilt experimenteren met de analyses, andere grafieken wilt maken of wat van mijn code wilt gebruiken, voel je vrij om dat te doen. Als je op mijn code wilt voortbouwen, gebruik dan de citatie-informatie die te vinden is op Zenodo:

Resultaten en conclusie (dus welk merk droogde het snelst?)

Zoals de onderstaande gif laat zien, is de handdoek van Care Plus Travel de snelste die opdroogt: ongeveer 46 minuten na de start van het experiment daalt het temperatuurverschil van dit merk plotseling van ongeveer vijf graden Celsius naar rond de nul graden. Een paar minuten later, rond 52 minuten na de in het experiment, volgt de handdoek van Decathlon. De andere drie sneldrogende handdoeken doen er ongeveer even lang over om te drogen, ongeveer 60 minuten in het experiment. De scherpe daling voor al deze handdoeken laat zien dat het koelen (gezien als de hoeveelheid verdampt water per tijd) constant is totdat al het water weg is, en dan stijgt plotseling de temperatuur van de nu opgedroogde handdoek om die van de al droge handdoek te evenaren. De katoenen handdoek vertoont een ander temperatuurverloop: de temperatuur van de natte handdoek beweegt langzaam naar die van de droge handdoek toe. Dit kan worden verklaard door wat ik op de thermische camera heb gezien: de katoenen handdoek droogde eerst op bepaalde plekken voordat hij helemaal droog was. De andere handdoeken droogden overal gelijkmatig.

De herhaalexperimenten laten vergelijkbare resultaten zien: van de vier experimenten droogde de handdoek van Care Plus Travel drie keer het snelst en die van Decathlon volgde op de tweede plaats. In een van de vier experimenten droogde de handdoek van Decathlon het snelst, met Care Plus als goede tweede. In alle experimenten deden de andere drie handdoeken er ongeveer even lang over om te drogen.

Het verschil in droogtijd tussen de verschillende merken "sneldrogende handdoek" is wetenschappelijk significant. Dit betekent dat wanneer we naar de onzekerheden in onze metingen kijken, ik er zeer zeker van ben dat het verschil dat we zien tussen de droogtijd van de handdoeken te wijten is aan het verschil tussen de handdoeken en niet aan willekeurigheid in de manier waarop we ons experiment hebben opgezet. We moeten echter ook beoordelen of de verschillen relevant zijn. Is een droogtijd die zeven minuten sneller is relevant als het ongeveer 45 minuten duurt om de handdoek te drogen? Of misschien nog breder gezien: zijn die zeven minuten relevant voor een kampeertrip van drie weken?

Discussie (wat zijn de beperkingen van ons experiment?)

Er zijn natuurlijk altijd keuzes in onze experimentele opzet die anders hadden kunnen worden gemaakt en die van invloed zullen zijn op onze resultaten. Bijvoorbeeld: in dit experiment hebben ik geprobeerd zo dicht mogelijk bij een normale situatie te blijven, terwijl ik tegelijkertijd alles zo gelijk mogelijk wil houden tussen de handdoeken. Daarom hebben we besloten om voor elke handdoek een gelijke hoeveelheid water (25 ml per handdoek) te gebruiken. Er kan worden betoogd dat de meeste kampeerders zoveel mogelijk vocht uit een handdoek zullen wringen voordat ze deze ophangen om te drogen. Verschillende handdoeken zouden verschillende hoeveelheden water in zich hebben na het uitwringen, en dit zou mogelijk tot andere resultaten kunnen leiden dan de mijne. Ik heb besloten om een gelijke hoeveelheid water voor elke handdoek te gebruiken omdat ik me richt op de claim van sneldrogend, niet op de claim van "maximale uitwringbaarheid". Bovendien heb ik dit experimenten op één dag uitgevoerd. Het weer was mooi, rond de 20 graden Celsius en een lekker briesje. Technisch gezien kan ik dus alleen beweren dat ik heb gemeten welke handdoek het snelst droogt onder deze weersomstandigheden. De mate van drogen hangt af van zowel hoe gemakkelijk de wind door een handdoek kan blazen als de temperatuur van de handdoek zelf, die onder andere afhangt van de kleur. Technisch gezien zou op een zeer warme dag zonder wind een andere handdoek mogelijk sneller kunnen drogen dan degene die ik als snelste heb aangewezen onder deze omstandigheden. Mijn hypothese is dat zelfs onder verschillende weersomstandigheden de handdoeken in dezelfde volgorde zullen drogen (maar niet in dezelfde tijd!).

Tot slot moet ik erkennen dat ik in dit experiment alleen heb gekeken naar hoelang het duurt voordat deze handdoeken drogen en dat andere vragen misschien belangrijker zijn. Alle handdoeken die als 'sneldrogend' worden verkocht, zijn gemaakt van plastic (vaak gerecycled PET). Deze handdoeken laten veel plastic microvezels vrij in het milieu tijdens het drogen aan een waslijn. De vezels die katoenen handdoeken loslaten, zijn biologisch afbreekbaar over veel kortere tijden dan die van plastic handdoeken die zich ophopen in het milieu. Of dat het waard is voor een droogtijd die een paar minuten sneller is, is aan een ieder om zelf af te wegen, maar persoonlijk neig ik ernaar liever katoenen handdoeken te kopen en iets langer te wachten. En als ik dat doe, denk ik dat ik een boek zal lezen en van het landschap zal genieten in plaats van naar handdoeken te kijken met een thermische camera.