Paul Sparks
0 
4521
868
På 1500-talet beskrev Leonardo da Vinci först ett fascinerande fenomen med vatten som senare blev känt som det hydrauliska hoppet. Och bara fem århundraden senare har forskare äntligen förklarat varför det händer.
Detta hopp är inte någon dold egenskap som endast är synlig för forskare. Du behöver verkligen bara gå in i ditt kök eller hoppa in i duschen för att se det.
Om du slår på en kran bör du lägga märke till vad som händer när vattnet träffar diskbotten. Det skapar ett mycket tunt, snabbt flödande, cirkulärt vattenlager omgiven av en tjockare, koncentrisk ring av turbulent vatten. Ett hydrauliskt hopp hänvisar till den punkt där vattnet stiger upp och bildar det tjockare skiktet. [Bilder: Världens vackraste ekvationer]
Från och med 1819 med den italienska matematikern Giorgio Bidone har många forskare försökt förklara vad som får vatten att hoppa på detta sätt. Men alla förklaringar och ekvationer hittills har lutat på tyngdekraften som den viktigaste kraften, sa huvudförfattaren Rajesh K. Bhagat, en doktorand i avdelningen för kemiteknik och bioteknik vid University of Cambridge i England.
Emellertid fann Bhagat och hans team nyligen att allvar knappt har något att göra med dessa hydrauliska hopp. Snarare är de stora krafterna bakom dem ytspänning och viskositet, rapporterade de i sin studie, som publicerades online 31 juli i Journal of Fluid Mechanics.
För att utesluta allvar, utförde Bhagat och hans team ett enkelt experiment. De träffade en plan, horisontell yta med en vattenstråle för att skapa ett enkelt hydrauliskt hopp - samma typ som du skulle se om du slog på vatten vid diskbänken. Men sedan lutade de denna yta på olika sätt: vertikalt, i en 45-graders vinkel och horisontellt - så att slutligen skulle vattenstrålen träffa en yta som blev ett tak. För att fånga det första hoppet registrerade de vad som hände med höghastighetskameror.
I varje fall hände det hydrauliska hoppet på samma punkt. Med andra ord, det tunna, snabbt rörliga inre skiktet var av samma storlek oavsett vilken orientering planet var i. Om tyngdkraften hade orsakat hopp, skulle vattnet ha "förvrängts" i något av planen förutom det horisontella , Sa Bhagat. "Detta enkla experiment bevisar att det är allt annat än allvar."
Den nya teorin är inte nere med tyngdkraften
För att studera de andra krafterna som kan ha spelat, varierade forskarna vattenströmens viskositet - ett mått på hur mycket det kan motstå flöde - genom att blanda det med glycerol, en typ av alkohol med en ytspänning som liknar vattnet, men det är 1 000 gånger viskösare än vattnet.
De höll också viskositeten konstant och minskade ytspänningen - den attraktiva kraften som håller vätskemolekyler samman vid ytan - genom att blanda in en vanlig ingrediens i tvättmedel som kallas natriumdodecylbensensulfonat (SDBS). Slutligen varierade de både viskositeten och ytspänningen genom att blanda vatten och propanol, en annan typ av alkohol, så att lösningen var 25 procent mer viskös än rent vatten men hade en ytspänning tre gånger svagare.
Detta gjorde det möjligt för forskarna att isolera påverkan från varje styrka, berättade seniorförfattaren Ian Wilson, professor i mjuka fasta ämnen och ytor, också vid University of Cambridge. .
Poängen är att "kunna förutsäga var denna övergång mellan en tunn film och en tjock film börjar", sa Wilson. Många av de tidigare teorierna kunde inte göra det, eftersom det hydrauliska hoppets läge förändras när det tjocka lagret träffar någon sorts kant, som vaskkanten.
Hoppet inträffar vid den plats där krafterna från ytspänning och viskositet lägger till och balanserar fart från vätskestrålningen, konstaterade författarna.
Att veta var detta hopp först inträffar kan ha applikationer i branschen, sa Wilson. Det tunna lagret som bildas före hoppet bär mycket mer kraft än det tjockare lagret gör, vilket gör det tunnare området mer effektivt vid överföring av värme.
Höghastighetsstrålar med vatten används i industriella applikationer, såsom rengöring i mjölkbearbetning och kylning av flygplanets turbinblad eller kiselhalvledare, sade Bhagat. Ofta i dessa applikationer är intermittenta vattenstrålar mer effektiva, sa Wilson. För att förbättra effektiviteten hos dessa intermittenta strålar måste du kunna förutsäga var de initiala hydrauliska hopparna inträffar, sade han.
Ursprungligen publicerad den .