Учёные объяснили странный феномен, который приводил в недоумение великого да Винчи

Когда великий интеллектуал Эпохи Возрождения Леонардо да Винчи находил свободную минутку между рисованием шедевров и изобретением в 15 веке новых способов запустить людей в небо, он чаще всего оказывался на улице. На улочках своей гений с энциклопедическим умом молча наблюдал за странностями поведения воды в ручье.

Необычный факт, который тогда удивлял да Винчи, мучал еще не одно поколение ученых после него. И вот, полтысячи лет спустя… мы все еще размышляем над интересным вопросом, что же такое гидравлический скачок. Но, кажется, физики из Кембриджа наконец-то разрешили древнюю загадку.

Явление под названием гидравлический скачок так часто встречается нам по жизни, что вы можете смело простить себе ошибку, если думаете, что мы полностью его понимаем. Включите кран и понаблюдайте как вода течет по дну раковины. Растущая лужица замедляется к краям, вода словно собирается в такую «ступеньку», которая удерживается, пока вода не начинает прибывать.

Такая стоячая волна встречается почти везде, где есть вода… а точнее там, где встречаются два потока, текущих с разной скоростью.

История

Конечно, эта загадка мучала многих философов и ученых задолго до да Винчи, но именно в его заметках о природе воды мы обнаружили первые детальные размышления о том, как жидкости ведут себя при разных течениях. Да Винчи, впрочем, считал, что просто такова природы воды. Никаких дополнительных объяснений он не давал.

В последующие века математическую формулу водной ступеньки вывели итальянский физик 18-го века Джиованни Батиста Гульельминии итальянский математик 19-го века Джордже Бидоне. Но при этом они почти и не пытались объяснить, почему она вообще появляется.

Наконец-то, уже в 1914 году, физик с довольно длинным именем Джон Уильям ‘зовите-меня-лорд-Релей’ Стретт, третий барок Рэлей, выдвинул предположение о ее природе в своей работе о приливных течениях и ударных волнах в жидкостях. Его теоретическое объяснение учитывало вязкость, кинетическую и потенциальную энергии.

Поверхностное натяжение воды, по его мнению, «несомненно играет существенную роль, которую, впрочем, можно минимизировать увеличением потока и соответственно ростом глубины воды над пластиной до того значения, которое требуется».

Инерция, вязкость и гравитация?

Другие исследователи, как лорд Релей, отметали в своих рассуждениях поверхностное натяжение, считая его обыденным, предпочитая модели, в которых описывалась связь радиуса быстро текущей воды и высоты гидравлического скачка. Считалось, что это комбинация воздействия вязкости, инерции и гравитации.

С течением воды по поверхности трение пересиливает инерцию и замедляет жидкости. Если изменение в этой скорости достаточно велико, образуется ударная волна, при которой жидкость собирается на небольшом расстоянии в «ступеньку». Считалось, что ее размер определяется уравновешиванием тяги потенциальной энергией и давления массы воды.

В последние годы начались разногласия по поводу того, играет ли гравитацию такую большую роль в определении высоты скачка. И вот так загадка странной водной «ступеньки», которая так увлекала Леонардо да Винчи, оставалась неразрешенной по сей день.

Новое исследование

В новой работе по теме Раджеш Багат (Rajesh Bhagat), исследователь в области химической инженерии, пришел к выводу, что не стоило ученым так быстро отказываться от изучения роли поверхностного натяжения.

«Мы показали, что в скачке поверхностное натяжение и силы вязкости уравновешиваются с импульсом жидкостной пленки, а гравитация как раз особой роли не играет,»— пишут Багат и его коллеги в своем отчете.

Если игнорировать эффект гравитации и сфокусироваться на поверхностном натяжении, появляются новые способы контролировать гидравлический скачок, к примеру, добавлять сурфактанты (поверхностно-активные вещества).

«Понимание этого процесса повлечет за собой большие последствия, и сможет значительно уменьшить промышленное потребление воды, — говорит Багат. — Люди смогут воспользоваться этой теорией, чтобы придумать новые способы очистки всего, от машин до производственного оборудования.»

Сложно сказать, удивился бы лорд Релей или нет. Но мы уверены, что да Винчи новые исследования точно бы понравились, и он был бы рад узнать больше о природе течения воды.