В 16 веке Леонардо да Винчи впервые описал захватывающее явление, связанное с водой, которое позже стало известно как гидравлический прыжок. И всего пять веков спустя ученые наконец-то объяснили, почему это происходит.
Этот прыжок не является каким-то неясным свойством, видимым только ученым. Вам действительно нужно просто пойти на кухню или прыгнуть в душ, чтобы увидеть это.
Если вы включите кран, обратите внимание, что происходит, когда вода попадает на поверхность раковины. Он создает очень тонкий, быстро текучий круговой слой воды, окруженный более толстым концентрическим кольцом турбулентной воды. Гидравлический прыжок относится к точке, где вода поднимается и образует более толстый слой.
Начиная с 1819 года с итальянского математика Джорджио Бидоне, многие исследователи пытались объяснить, почему вода так прыгает. Но все объяснения и уравнения на сегодняшний день опираются на гравитацию как на главную силу, говорит ведущий автор Раджеш К. Бхагат, докторант кафедры химической инженерии и биотехнологии в Кембриджском университете в Англии.
Чтобы исключить гравитацию, Бхагат и его команда провели простой эксперимент. Они ударяются о плоскую горизонтальную поверхность струей воды, создавая простой гидравлический прыжок - такой же, как если бы вы включали воду в кухонной раковине. Но затем они наклонили эту поверхность по-разному: по вертикали, под углом 45 градусов и по горизонтали - так, чтобы в итоге струя воды ударилась о поверхность, которая стала потолком. Чтобы запечатлеть начальный прыжок, они записали, что случилось с высокоскоростными камерами.
В каждом случае гидравлический прыжок происходил в одной и той же точке. Другими словами, тонкий, быстро движущийся внутренний слой был одинакового размера независимо от ориентации плоскости. Если бы гравитация вызвала скачки, вода была бы "искажена" в любой из плоскостей, кроме горизонтальной. Бхагат сказал. «Этот простой эксперимент доказывает, что это не гравитация».
Новая теория не поддается гравитации
Чтобы изучить другие силы, которые могли быть задействованы, исследователи варьировали вязкость водяного потока - меру того, насколько он может противостоять потоку - смешивая его с глицерином, типом спирта с поверхностным натяжением, аналогичным водному, но это в 1000 раз больше, чем у воды.
Они также поддерживали постоянную вязкость и уменьшали поверхностное натяжение - силу притяжения, которая удерживает молекулы жидкости вместе на поверхности - путем смешивания общего ингредиента в моющем средстве под названием додецилбензолсульфонат натрия (SDBS). Наконец, они варьировали и вязкость, и поверхностное натяжение, смешивая воду и пропанол, другой вид спирта, так что раствор был на 25 процентов более вязким, чем чистая вода, но имел поверхностное натяжение в три раза слабее.
Это позволило исследователям изолировать влияние каждой силы, сказал в прямом эфире старший научный сотрудник Ян Уилсон, профессор мягких тел и поверхностей, также из Кембриджского университета.
Дело в том, чтобы «быть в состоянии предсказать, где начинается этот переход между тонкой пленкой и толстой пленкой», сказал Уилсон. Многие предыдущие теории не могли этого сделать, потому что место гидравлического прыжка меняется, когда толстый слой сталкивается с каким-то краем, таким как край раковины.
Авторы обнаружили, что скачок происходит в месте, где силы поверхностного натяжения и вязкости складываются и уравновешивают импульс от струи жидкости.
По словам Уилсона, знание того, где этот скачок происходит впервые, может найти применение в промышленности. Тонкий слой, который формируется до скачка, несет гораздо больше силы, чем толстый слой, что делает более тонкую область более эффективной при передаче тепла.
По словам Бхагата, высокоскоростные струи воды используются в промышленности, например, для очистки молока и охлаждения лопастей турбин самолетов или кремниевых полупроводников. По словам Уилсона, часто в таких случаях прерывистые струи воды более эффективны. По его словам, чтобы повысить эффективность этих прерывистых форсунок, нужно иметь возможность предсказать, где произойдут начальные гидравлические скачки.
