Всякий раз, когда энциклопедист 15-го века Леонардо да Винчи не рисовал шедевры и не придумывал новые способы запуска людей в небо, его можно было найти на открытом воздухе, сосредоточено рассматривающим вихри воды, бегущие вниз по течению реки.
То, что поразило мастера эпохи Возрождения, с тех пор озадачило бесчисленное множество ученых. Полвека спустя учёные все ещё ломают голову над гидравлическим прыжком, пытаясь его объяснить. Теперь, кажется, физики из Кембриджского университета могут, наконец, решить эту проблему.
Гидравлические прыжки являются настолько знакомым зрелищем, что даже странно, как явление долгое время сохраняло за собой статус загадочного.
Увидеть это можно даже дома, просто включив кран и наблюдая как вода собирается в “кучу” на дне раковины и остаётся в таком состоянии до тех пор пока раковина не начнёт заполняться. Стоящая вода может обнаружиться везде, в реках, в канализации, водопроводе, но никто до сих пор не мог я объяснить природу явления.
Для самого Да Винчи поведение воды было просто естественным, хотя он проводил много времени за наблюдением явления, он не мог объяснить его.
В дальнейшем тем же вопросом заинтересовались итальянский физик 18 века Джованни Баттиста Гульельмини и итальянский математик 19 века Джордж Бидон. В 1914 году физик Джон Уильям Штрутт отважился сделать предположение о жидких ударных волнах. Его теоретическое объяснение учитывало вязкость, кинетическую энергию и потенциальную энергию.
Поверхностное натяжение, «несомненно, играет значительную роль, но это может быть сведено к минимуму за счет увеличения потока и, соответственно, глубины воды над плитой, насколько это может быть удобно».
Другие исследователи также отвергли поверхностное натяжение как тривиальное, отдавая предпочтение моделям, описывающим связь между радиусом более быстрой текучей жидкости и высотой гидравлического прыжка как комбинацию вязкости, инерции и силы тяжести.
По мере того как вода течет по поверхности, трение преодолевает инерцию и замедляет движение жидкости. Если изменение скорости достаточно резкое, развивается ударная волна, где жидкость накапливается на небольшом расстоянии в прыжке.
Предполагается, что величина шага определяется перетягиванием потенциальной энергии, уравновешиваемой толчком массы воды у его подножия.
На протяжении многих лет шли споры о том, действительно ли гравитация играет важную роль в определении высоты прыжка.
В новом исследовании инженер химик Раджеш Бхагат считает, что предыдущие ученые, возможно, слишком быстро исключили влияние поверхностного натяжения.
«Мы показываем, что при прыжке поверхностное натяжение и сила вязкости уравновешивают импульс в жидкой пленке, а гравитация не играет существенной роли», — пишут Бхагат и его команда в своем докладе.
Возможность игнорировать влияние гравитации и концентрироваться на поверхностном натяжении позволяет использовать другие способы управления гидравлическим прыжком, например, путем добавления поверхностно-активных веществ.
«Понимание этого процесса имеет большие последствия и может значительно сократить промышленное водопользование», — говорит Бхагат: «Люди могут использовать эту теорию, чтобы найти новые способы, чтобы очистить все от автомобилей до заводского оборудования.»
