Тайна физики жидкости, впервые обнаруженная да Винчи, веками озадачивала ученых, но теперь они нашли разгадку.
Более 500 лет назад Леонардо да Винчи наблюдал, как пузырьки воздуха всплывают в воде, когда заметил, что некоторые пузырьки необъяснимым образом начали двигаться по спирали или зигзагом вместо того, чтобы подниматься прямо к поверхности воды. В течение столетий никто не предлагал удовлетворительного объяснения этого странного периодического отклонения в движении некоторых пузырьков в воде, которое было названо «парадоксом Леонардо».
Пара ученых, видимо, наконец решили давнюю загадку, разработав новые модели, которые соответствуют высокоточным измерениям эффекта. Результаты показывают, что пузырьки могут достигать критического радиуса, который подталкивает их к новым и нестабильным траекториям из-за взаимодействия между потоком воды вокруг них и тонкими деформациями их формы.
«Движение пузырьков в воде играет центральную роль в широком спектре природных явлений, от химической промышленности до окружающей среды», говорят авторы Мигель Эррада и Йенс Эггерс, исследователи физики жидкости из Университета Севильи и Университета Нью-Йорка. «Тем не менее, несмотря на усилия и наличие огромных вычислительных мощностей, не удалось согласовать эксперименты с численным моделированием полных гидродинамических уравнений для деформируемого воздушного пузыря в воде. Это относится, в частности, к интригующему наблюдению, сделанному еще Леонардо да Винчи, что достаточно большие воздушные пузыри совершают периодическое движение вместо того, чтобы подниматься по прямой линии».
Действительно, пузыри настолько вездесущи в нашей повседневной жизни, что легко забыть, что они динамически сложны и часто сложны для экспериментального изучения. На поднимающиеся пузырьки воздуха в воде влияет множество пересекающихся сил, таких как вязкость жидкости, поверхностное трение и любые окружающие загрязняющие вещества, которые искажают форму пузырьков и изменяют динамику обтекающей их воды.
Да Винчи заметил и другие ученые подтвердили, что воздушные пузырьки со сферическим радиусом, который намного меньше миллиметра, имеют тенденцию следовать прямому восходящему пути через воду, тогда как более крупные пузырьки развивают колебание, которое приводит к периодической спирали или зигзагу траектории.
Эррада и Эггерс использовали уравнения Навье-Стокса, которые представляют собой математическую основу для описания движения вязких жидкостей, для моделирования сложного взаимодействия между пузырьками воздуха и их водной средой. Команда смогла точно определить сферический радиус, который вызывает этот наклон – 0,926 мм, что примерно равно размеру кончика карандаша, и описать возможный механизм волнистого движения.
Пузырь, радиус которого превышает критический, становится более нестабильным, создавая наклон, который изменяет кривизну пузыря. Изменение кривизны увеличивает скорость воды вокруг поверхности пузыря, что приводит к колебанию. Затем пузырь возвращается в исходное положение из-за дисбаланса давления, создаваемого деформациями его изогнутой формы, и повторяет процесс в периодическом цикле.
В дополнение к разрешению парадокса 500-летней давности новое исследование может пролить свет на множество других вопросов о ртутном поведении пузырей и других объектов, которые не поддаются простой категоризации.
«Хотя ранее считалось, что след пузыря становится нестабильным, теперь мы демонстрируем новый механизм, основанный на взаимодействии между потоком и деформацией пузыря», заключили Эррада и Эггерс в своем исследовании. «Это открывает двери для изучения небольших загрязнений, присутствующих в большинстве практических условий, которые имитируют частицу где-то между твердым телом и газом».
