W XVI wieku Leonardo da Vinci po raz 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 musisz po prostu wejść do kuchni lub wskoczyć pod prysznic, aby to zobaczyć.
Jeśli włączysz kran, zwróć uwagę na to, co dzieje się, 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 unosi się i tworzy grubszą warstwę.
Począwszy od 1819 roku z włoskim matematykiem Giorgio Bidone, wielu badaczy próbowało wyjaśnić, co powoduje skakanie wody w ten sposób. Ale wszystkie dotychczasowe wyjaśnienia i równania opierają się na grawitacji jako głównej sile, powiedział główny autor Rajesh K. Bhagat, doktorant na wydziale inżynierii chemicznej i biotechnologii na Uniwersytecie Cambridge w Anglii.
Aby wykluczyć grawitację, Bhagat i jego zespół przeprowadzili prosty eksperyment. Uderzają w płaską, poziomą powierzchnię strumieniem wody, tworząc prosty skok hydrauliczny - taki sam, jaki można by zobaczyć, gdyby włączyć wodę w zlewie kuchennym. Ale potem przechylili tę powierzchnię na różne sposoby: pionowo, pod kątem 45 stopni i poziomo - tak, aby strumień wody uderzył w powierzchnię, która stała się sufitem. Aby uchwycić początkowy skok, zarejestrowali to, co stało się z szybkimi kamerami.
W każdym przypadku skok hydrauliczny miał miejsce w tym samym punkcie. Innymi słowy, cienka, szybko poruszająca się warstwa wewnętrzna była tego samego rozmiaru bez względu na orientację samolotu. Gdyby grawitacja spowodowała skoki, woda zostałaby „zniekształcona” w dowolnej płaszczyźnie oprócz poziomej , Powiedział Bhagat. „Ten prosty eksperyment dowodzi, że nie jest to grawitacja”.
Nowa teoria nie opiera się na grawitacji
Aby zbadać inne siły, które mogły być w grze, badacze zmienili lepkość strumienia wody - miarę tego, jak bardzo może on oprzeć się przepływowi - mieszając go z glicerolem, rodzajem alkoholu o napięciu powierzchniowym podobnym do wody, ale to 1000 razy lepsza niż woda.
Utrzymywali również stałą lepkość i zmniejszali napięcie powierzchniowe - siłę przyciągania, która utrzymuje razem cząsteczki cieczy na powierzchni - poprzez zmieszanie wspólnego składnika w detergencie zwanym dodecylobenzenosulfonianem sodu (SDBS). Wreszcie zmienili zarówno lepkość, jak i napięcie powierzchniowe, mieszając wodę z propanolem, innym rodzajem alkoholu, tak że roztwór był o 25 procent lepki niż czysta woda, ale miał napięcie powierzchniowe trzykrotnie słabsze.
Pozwoliło to badaczom odizolować wpływ każdej siły, powiedział autor Live Science, starszy autor Ian Wilson, profesor miękkich ciał stałych i powierzchni, również z University of Cambridge.
Chodzi o to, aby „móc przewidzieć, gdzie rozpoczyna się przejście między cienkim filmem a grubym filmem” - powiedział Wilson. Wiele wcześniejszych teorii nie mogło tego zrobić, ponieważ położenie skoku hydraulicznego zmienia się, gdy gruba warstwa uderzy w jakąś krawędź, na przykład krawędź zlewu.
Autorzy stwierdzili, że skok następuje w miejscu, w którym siły napięcia powierzchniowego i lepkości sumują się i równoważą pęd strumienia cieczy.
Wilson powiedział, że wiedza o tym, gdzie najpierw nastąpi ten skok, może znaleźć zastosowanie w przemyśle. Cienka warstwa, która tworzy się przed skokiem, przenosi znacznie większą siłę niż grubsza warstwa, dzięki czemu cieńszy obszar jest bardziej wydajny w przenoszeniu ciepła.
Bhagat powiedział, że strumienie wody o dużej prędkości są stosowane w zastosowaniach przemysłowych, takich jak czyszczenie w przetwórstwie mleka i chłodzenie łopat turbin lotniczych lub półprzewodników krzemowych. Wilson powiedział, że często w tych zastosowaniach przerywane strumienie wody są bardziej wydajne. Powiedział, że aby poprawić wydajność tych przerywanych strumieni, musisz być w stanie przewidzieć, gdzie mają miejsce początkowe skoki hydrauliczne.
