V 16. století Leonardo da Vinci poprvé popsal fascinující jev zahrnující vodu, který se později stal známým jako hydraulický skok. A za pouhých pět století později vědci konečně vysvětlili, proč k tomu dochází.
Tento skok není nějaká nejasná vlastnost, která je viditelná pouze pro vědce. K tomu, abyste to viděli, musíte opravdu jen jít do kuchyně nebo se dostat do sprchy.
Pokud zapnete faucet, všimněte si, co se stane, když voda dopadne na povrch dřezu. Vytváří velmi tenkou, rychle tekoucí, kruhovou vrstvu vody obklopenou silnějším koncentrickým prstencem turbulentní vody. Hydraulický skok označuje místo, kde voda stoupá a tvoří silnější vrstvu.
Počínaje rokem 1819 italským matematikem Giorgiem Bidonem se mnoho vědců pokusilo vysvětlit, co způsobuje, že voda takto skočí. Ale všechna dosavadní vysvětlení a rovnice se opírala o gravitaci jako hlavní síla, řekl vedoucí autor Rajesh K. Bhagat, doktorský kandidát na katedře chemického inženýrství a biotechnologie na University of Cambridge v Anglii.
Aby vyloučil gravitaci, provedl Bhagat a jeho tým jednoduchý experiment. Zasáhli hladký vodorovný povrch proudem vody a vytvořili jednoduchý hydraulický skok - stejný druh, jaký byste viděli, kdybyste zapnul vodu u kuchyňského dřezu. Pak však tuto plochu různě naklonili: svisle, pod úhlem 45 stupňů a vodorovně - aby konečně proud vody dopadl na povrch, který se stal stropem. Aby zachytili počáteční skok, zaznamenali, co se stalo s vysokorychlostními kamerami.
V každém případě došlo k hydraulickému skoku ve stejném bodě. Jinými slovy, tenká, rychle se pohybující vnitřní vrstva měla stejnou velikost bez ohledu na orientaci, v níž byla rovina. Pokud by gravitace způsobila skoky, voda by byla „zkreslená“ v kterékoli z rovin kromě horizontální. Řekl Bhagat. "Tento jednoduchý experiment dokazuje, že je to něco jiného než gravitace."
Nová teorie není dole gravitací
Ke studiu dalších sil, které by mohly být ve hře, vědci změnili viskozitu proudu vody - míru toho, jak může odolat toku - smícháním s glycerolem, typem alkoholu s povrchovým napětím, které je podobné vodě, ale to je 1 000krát viskóznější než voda.
Rovněž udržovali konstantní viskozitu a snižovali povrchové napětí - atraktivní sílu, která drží molekuly kapaliny pohromadě na povrchu - smícháním běžné složky v detergentu zvaném dodecylbenzensulfonát sodný (SDBS). Nakonec měnili jak viskozitu, tak povrchové napětí smícháním vody a propanolu, jiného druhu alkoholu, takže roztok byl o 25 procent viskóznější než čistá voda, ale povrchové napětí bylo třikrát slabší.
To vědcům umožnilo izolovat vliv každé síly, řekl Ian Wilson, profesor měkkých těles a povrchů, také na University of Cambridge, řekl Live Science.
Jde o to, „být schopen předpovídat, kde začíná tento přechod mezi tenkým filmem a tlustým filmem,“ řekl Wilson. Mnoho předchozích teorií to nemohlo udělat, protože umístění hydraulického skoku se změní, jakmile tlustá vrstva zasáhne nějaký druh okraje, jako je okraj dřezu.
Autoři zjistili, že skok nastává v místě, kde se síly z povrchového napětí a viskozity sčítají a vyrovnávají hybnost z proudu kapaliny.
Vědět, kde se tento skok poprvé objeví, může mít v průmyslu aplikace, řekl Wilson. Tenká vrstva, která se vytvoří před skokem, nese mnohem větší sílu než tlustší vrstva, takže je tenčí oblast účinnější při přenosu tepla.
Vysokorychlostní trysky vody se používají v průmyslových aplikacích, jako je čištění při zpracování mléka a chlazení lopatek leteckých turbín nebo křemíkových polovodičů, uvedl Bhagat. V těchto aplikacích jsou přerušované proudy vody často efektivnější, řekl Wilson. Chcete-li zlepšit účinnost těchto přerušovaných trysek, musíte být schopni předpovídat, kde nastanou počáteční hydraulické skoky, řekl.
