Vlad Krasen
0 
5024
0
W XVI wieku Leonardo da Vinci jako pierwszy opisał fascynujące zjawisko związane z wodą, które później stało się znane jako skok hydrauliczny. Zaledwie pięć wieków później naukowcy w końcu wyjaśnili, dlaczego tak się dzieje.
Ten skok nie jest jakąś niejasną właściwością widoczną tylko dla naukowców. Naprawdę wystarczy wejść do kuchni lub wskoczyć pod prysznic, aby to zobaczyć.
Jeśli odkręcisz kran, zwróć uwagę, co się dzieje, gdy woda uderza w powierzchnię zlewu. Tworzy bardzo cienką, szybko płynącą, okrągłą warstwę wody otoczoną grubszym, koncentrycznym pierścieniem burzliwej wody. Skok hydrauliczny odnosi się do punktu, w którym woda podnosi się i tworzy grubszą warstwę. [Zdjęcia: Najpiękniejsze równania świata]
Począwszy od 1819 roku, wraz z włoskim matematykiem Giorgio Bidone, wielu badaczy próbowało wyjaśnić, co powoduje skoki wody w ten sposób. Jednak wszystkie dotychczasowe wyjaśnienia i równania opierały się na grawitacji jako głównej sile, powiedział główny autor Rajesh K. Bhagat, doktorant na wydziale inżynierii chemicznej i biotechnologii na Uniwersytecie Cambridge w Anglii..
Jednak Bhagat i jego zespół niedawno odkryli, że grawitacja nie ma prawie nic wspólnego z tymi skokami hydraulicznymi. Przeciwnie, główne siły stojące za nimi to napięcie powierzchniowe i lepkość, donoszą w swoim badaniu, które zostało opublikowane online 31 lipca w Journal of Fluid Mechanics.
Aby wykluczyć grawitację, Bhagat i jego zespół przeprowadzili prosty eksperyment. Uderzają strumieniem wody w płaską, poziomą powierzchnię, tworząc prosty skok hydrauliczny - taki sam, jaki można by zobaczyć, gdyby włączył się wodę w zlewie kuchennym. Ale potem przechylali tę powierzchnię na różne sposoby: pionowo, pod kątem 45 stopni i poziomo - tak, że w końcu strumień wody uderzał w powierzchnię, która stała się sufitem. Aby uchwycić początkowy skok, zarejestrowali to, co działo się z szybkimi kamerami.
W każdym przypadku skok hydrauliczny miał miejsce w tym samym miejscu. Innymi słowy, cienka, szybko poruszająca się warstwa wewnętrzna miała ten sam rozmiar, niezależnie od orientacji samolotu. Gdyby grawitacja powodowała skoki, woda byłaby „zniekształcona” na dowolnej płaszczyźnie oprócz poziomej , Powiedział Bhagat. „Ten prosty eksperyment udowadnia, że to wszystko oprócz grawitacji”.
Nowa teoria nie jest zrujnowana grawitacją
Aby zbadać inne siły, które mogły działać, naukowcy zmienili lepkość strumienia wody - miarę tego, jak bardzo może on oprzeć się przepływowi - poprzez zmieszanie go z glicerolem, rodzajem alkoholu o napięciu powierzchniowym podobnym do wody, ale to jest 1000 razy bardziej lepkie niż woda.
Utrzymywali również stałą lepkość i zmniejszali napięcie powierzchniowe - siłę przyciągania, która utrzymuje razem cząsteczki cieczy na powierzchni - przez zmieszanie wspólnego składnika detergentu o nazwie dodecylobenzenosulfonian sodu (SDBS).. Wreszcie zmienili zarówno lepkość, jak i napięcie powierzchniowe, mieszając wodę i propanol, inny rodzaj alkoholu, tak aby roztwór był o 25 procent bardziej lepki niż czysta woda, ale miał trzykrotnie słabsze napięcie powierzchniowe..
Pozwoliło to naukowcom wyodrębnić wpływ każdej siły, powiedział starszy autor Ian Wilson, profesor miękkich ciał stałych i powierzchni, również z Uniwersytetu Cambridge. .
Chodzi o to, aby „móc przewidzieć, gdzie zaczyna się przejście między cienką warstwą a grubą warstwą” - powiedział Wilson. Wiele z poprzednich teorii nie mogło tego zrobić, ponieważ lokalizacja skoku hydraulicznego zmienia się, gdy gruba warstwa uderza w jakąś krawędź, na przykład krawędź zlewu.
Skok następuje w miejscu, w którym siły z napięcia powierzchniowego i lepkości sumują się i równoważą pęd strumienia cieczy - stwierdzili autorzy.
Wiedza o tym, gdzie następuje pierwszy skok, może mieć zastosowanie w przemyśle, powiedział Wilson. Cienka warstwa, która tworzy się przed skokiem, przenosi znacznie większą siłę niż grubsza, dzięki czemu cieńszy obszar jest bardziej skuteczny w przenoszeniu ciepła.
Szybkie strumienie wody są wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych, takich jak czyszczenie w przetwórstwie mleka i chłodzenie łopatek turbin lotniczych lub półprzewodników krzemowych, powiedział Bhagat. Wilson powiedział, że często w takich zastosowaniach przerywane strumienie wody są bardziej wydajne. - Aby poprawić wydajność tych przerywanych strumieni, musisz być w stanie przewidzieć, gdzie wystąpią początkowe skoki hydrauliczne - powiedział..
Pierwotnie opublikowano w dniu .