Вчені розгадали парадокс Леонардо да Вінчі

Дослідники з університетів Севільї та Брістоля розгадали таємницю нестаціонарної траєкторії повітряної бульбашки, що піднімається у воді. Професори Мігель Анхель Еррада з Університету Севільї та Єнс Г. Еггерс з Університету Брістоля виявили механізм, який пояснює нестабільний рух бульбашок, що підійматися у воді. Висновки, опубліковані в престижному журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, можуть дати розуміння поведінки частинок, які перебувають між твердим і газоподібним станами.

Леонардо да Вінчі п’ять століть тому спостерігав, що бульбашки повітря, якщо вони досить великі, періодично відхиляються зигзагом або спіраллю від прямолінійного руху. Однак жодного кількісного опису явища чи фізичного механізму, щоб пояснити цей періодичний рух, ніколи не було знайдено.

Ескіз Леонардо, що показує спіральний рух висхідної бульбашки (з його рукопису, відомого як Лестерський кодекс). Авторство: Університет Севільї

Автори цієї нової статті розробили техніку чисельної дискретизації, щоб точно схарактеризувати поверхню повітря-вода бульбашки, що дозволяє моделювати її рух і досліджувати її стабільність. Їхнє моделювання точно відповідає високоточним вимірюванням нестаціонарного руху бульбашок і показує, що бульбашки відхиляються від прямолінійної траєкторії у воді, коли їхній сферичний радіус перевищує 0,926 міліметра, результат у межах 2% від експериментальних значень, отриманих з надчистою водою в 90-х роках.

Дослідники пропонують механізм нестабільності траєкторії бульбашки, за допомогою якого періодичний нахил бульбашки змінює її кривину, таким чином впливаючи на швидкість руху вгору та викликаючи коливання траєкторії бульбашки, нахиляючи вгору сторону бульбашки, кривину якої збільшилася. Потім, коли рідина рухається швидше, а тиск рідини падає навколо поверхні з високою кривиною, дисбаланс тиску повертає бульбашку у вихідне положення, перезапускаючи періодичний цикл.