Бытовое явление, наблюдаемое Леонардо да Винчи, получило новое объяснение

Повседневное явление, замеченное, когда мы включаем кран, чтобы умыться утром, сбивает с толку инженеров на протяжении веков — почему вода повышает уровень по краям, когда она попадает в раковину, прежде чем она направится вниз по сливу?

Известный изобретатель и художник Леонардо да Винчи задокументировал явление, ныне известное как гидравлический прыжок, еще в 1500-х годах. Гидравлические прыжки безвредны в наших бытовых раковинах, но они могут вызвать сильные волны, турбулентность и водовороты в более глубокой воде.

Начиная с 1820-х годов ученые полагали, что гидравлические прыжки происходят частично в результате гравитационного притяжения. Но статья, опубликованная в издании «Journal of Fluid Mechanics» опровергает эту давнюю теорию.

Раджеш Бхагат, аспирант химического машиностроения в колледже Сент-Джонса, Кембриджский университет, и первый автор статьи, изучал струи воды направленные вверх и вбок на плоские поверхности и стал свидетелем точно таких же гидравлических прыжков, как и те, когда вода текла просто вниз.

Но что было причиной этого? Раджеш Бхагат подозревал, что все они могут зависеть от одних и тех же факторов — поверхностного натяжения и вязкости.

Изменяя эти свойства воды, он смог точно предсказать размер гидравлических прыжков, независимо от того, в каком направлении движется вода — развенчав 200-летнюю гравитационную теорию как причину гидравлического прыжка типа прыжка кухонной раковины. Этот вид гидравлического прыжка известен как круговой гидравлический прыжок.

Профессор Пол Линден, Директор по исследованиям Департамента прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета и автор статьи, описал выводы Бхагата как «новаторские».

Он объяснил: «его эксперименты и теория показывают, что поверхностное натяжение жидкости является ключом к процессу, и это никогда раньше не признавалось, хотя проблема обсуждалась да Винчи и многими другими с тех пор. Эта работа представляет собой замечательное достижение в нашем понимании динамики тонких слоев жидкости.»

Раджеш Бхагат прогнозирует, что его выводы могут иметь широкие последствия для отраслей, которые имеют высокий уровень потребления воды.

Он сказал: «очень важно знать, как управлять границей гидравлического прыжка, и теперь с этой теорией мы можем легко расширить или уменьшить границу».

«Понимание этого процесса имеет большие последствия и может значительно улучшить промышленное водопользование. Новая теория уже используется в практической работе на кафедре «Химическая инженерия». Люди могут использовать эту теорию, чтобы найти новые способы, чтобы очистить все от автомобилей до заводского оборудования.»

Раджеш Бхагат надеется, что его исследования также будут использованы для поиска новых способов помочь нам использовать меньше воды в обычном домашнем хозяйстве.

Больше информации: Rajesh K. Bhagat et al, On the origin of the circular hydraulic jump in a thin liquid film, Journal of Fluid Mechanics (2018). DOI: 10.1017/jfm.2018.558