Jacob Hoover
0 
3142
8
På 1500-tallet beskrev Leonardo da Vinci først et fascinerende fenomen som involverte vann som senere ble kjent som det hydrauliske hoppet. Og bare fem århundrer senere har forskere endelig forklart hvorfor det skjer.
Dette hoppet er ikke noen obskure eiendommer som bare er synlige for forskere. Du trenger bare å gå inn på kjøkkenet ditt eller hoppe i dusjen for å se det.
Hvis du slår på en kran, legger du merke til hva som skjer når vannet treffer overflaten på vasken. Det skaper et veldig tynt, raskt flytende, sirkulært lag vann omgitt av en tykkere, konsentrisk ring av turbulent vann. Et hydraulisk hopp viser til punktet der vannet stiger opp og danner det tykkere laget. [Bilder: Verdens vakreste ligninger]
Fra 1819 med den italienske matematikeren Giorgio Bidone, har mange forskere prøvd å forklare hva som får vann til å hoppe på denne måten. Men alle forklaringene og likningene til dags dato har lent seg på tyngdekraften som den viktigste styrken, sa hovedforfatter Rajesh K. Bhagat, en doktorgradskandidat i avdeling for kjemiteknikk og bioteknologi ved University of Cambridge i England.
Imidlertid fant Bhagat og teamet hans nylig ut at tyngdekraften knapt har noe med disse hydrauliske hoppene å gjøre. Snarere er de viktigste kreftene bak seg overflatespenning og viskositet, rapporterte de i sin studie, som ble publisert online 31. juli i Journal of Fluid Mechanics.
For å utelukke tyngdekraften utførte Bhagat og teamet hans et enkelt eksperiment. De traff en flat, horisontal overflate med en vannstråle for å skape et enkelt hydraulisk hopp - av samme type som du ville sett om du skrudde på vann ved kjøkkenvasken. Men så vippet de denne overflaten på forskjellige måter: vertikalt, i en 45-graders vinkel og horisontalt - slik at vannet straks skulle treffe en overflate som ble et tak. For å fange det første hoppet, registrerte de hva som skjedde med høyhastighets kameraer.
I alle tilfeller skjedde det hydrauliske hoppet på samme punkt. Med andre ord, det tynne, raskt bevegelige indre laget var av samme størrelse uansett hvilken retning planet var i. Hvis tyngdekraften hadde forårsaket hoppene, ville vannet blitt "forvrengt" i noen av flyene foruten den horisontale , Sa Bhagat. "Dette enkle eksperimentet beviser at det er alt annet enn tyngdekraften."
Den nye teorien er ikke nede med tyngdekraften
For å studere de andre kreftene som kan ha vært i spill, varierte forskerne vannstrømmens viskositet - et mål på hvor mye den kan motstå strømning - ved å blande den med glyserol, en type alkohol med en overflatespenning som ligner på vann, men det er 1000 ganger mer tyktflytende enn vanns.
De holdt også viskositeten konstant og reduserte overflatespenningen - den attraktive kraften som holder flytende molekyler sammen ved overflaten - ved å blande inn en vanlig ingrediens i vaskemiddel kalt natriumdodecylbenzensulfonat (SDBS). Til slutt varierte de både viskositeten og overflatespenningen ved å blande vann og propanol, en annen type alkohol, slik at løsningen var 25 prosent mer viskøs enn rent vann, men hadde en overflatespenning tre ganger svakere.
Dette tillot forskerne å isolere innflytelsen fra hver styrke, fortalte seniorforfatter Ian Wilson, professor i myke faste stoffer og overflater, også ved University of Cambridge. .
Poenget er å være "i stand til å forutsi hvor denne overgangen mellom en tynn film og en tykk film starter," sa Wilson. Mange av de tidligere teoriene kunne ikke gjøre det, fordi plasseringen av det hydrauliske hoppet endres når det tykke laget treffer en slags kant, som vasken.
Hoppet skjer på stedet der kreftene fra overflatespenning og viskositet legger seg opp og balanserer momentumet fra flytende jet, fant forfatterne.
Å vite hvor dette hoppet først oppstår, kan ha applikasjoner i industrien, sa Wilson. Det tynne laget som dannes før hoppet bærer mye mer kraft enn det tykkere laget gjør, og gjør dermed det tynnere området mer effektivt ved overføring av varme.
Høyhastighetsstråler av vann brukes i industrielle applikasjoner, for eksempel rengjøring i melkeforedling og avkjøling av turbinblad eller silisium halvledere, sa Bhagat. Ofte i disse applikasjonene er intermitterende vannstråler mer effektive, sa Wilson. For å forbedre effektiviteten til disse intermitterende jetflyene, må du kunne forutsi hvor de første hydrauliske hoppene skjer, sa han.
Opprinnelig publisert på .