Механизм нестабильности периодического движения пузырьков в парадоксе Леонардо да Винчи из Лестерского кодекса
Профессор Мигель Анхель Эррада из Университета Севильи и профессор Йенс Г. Эггерс из Бристольского университета открыли механизм, объясняющий нестабильное движение пузырьков, поднимающихся в воде. По словам исследователей, результаты, которые опубликованы в журнале PNAS, могут быть полезны для понимания движения частиц, поведение которых является промежуточным между твердым телом и газом. Исследователи предлагают механизм нестабильности траектории пузыря, при котором периодическое наклонение пузыря изменяет его кривизну, тем самым влияя на восходящую скорость и вызывая колебание траектории, наклоняя сторону пузыря, чья кривизна увеличилась. Затем, когда жидкость движется быстрее и давление жидкости падает вокруг поверхности с большой кривизной, дисбаланс давления возвращает пузырек в исходное положение, перезапуская периодический цикл.
Эскиз Леонардо, показывающий спиральное движение восходящего пузыря из его рукописи, известной как Лестерский кодекс.
Леонардо да Винчи заметил пять столетий назад, что пузырьки воздуха, если они достаточно велики, периодически отклоняются зигзагообразно или по спирали от прямолинейного движения. Однако количественного описания явления или физического механизма, объясняющего это периодическое движение, так и не было найдено.
Авторы этой новой статьи разработали метод численной дискретизации, чтобы точно охарактеризовать границу раздела воздух-вода пузыря, что позволяет им моделировать его движение и исследовать его устойчивость. Их моделирование точно соответствует высокоточным измерениям нестационарного движения пузырьков и показывает, что пузырьки отклоняются от прямой траектории в воде, когда их сферический радиус превышает 0,926 миллиметра, что составляет 2% от экспериментальных значений, полученных в 90-х годах для сверхчистой воды.
Исследователи предлагают механизм нестабильности траектории пузыря, при котором периодическое наклонение пузыря изменяет его кривизну, тем самым влияя на восходящую скорость и вызывая колебание траектории, наклоняя сторону пузыря, чья кривизна увеличилась.
Затем, когда жидкость движется быстрее и давление жидкости падает вокруг поверхности с большой кривизной, дисбаланс давления возвращает пузырек в исходное положение, перезапуская периодический цикл.
