达芬奇好奇的一个奇怪的水行为终于有一个解释

By Yasemin Saplakoglu, Staff Writer | LiveScience

2018/8/11

达芬奇用红粉笔画的自画像。  (Leonardo da Vinci, ca. 1510-1515)

    在十六世纪, 达芬奇首先描述了一个有趣的涉及水后来变成著名的水力跃迁现象。仅五年后, 科学家已经最终解释了为什么会发生这种情况。这个跃迁不是一些晦涩的只有科学家才能看到的属性,你真的只需要走进你的厨房或跳进淋浴看到它。

    如果你打开水龙头, 注意当水撞击水槽的表面时会发生什么。它创造一个非常薄的、快速流动的被一个更厚的同心的湍流环包围的圆形水层。水力跃迁指的是水上升形成这个更厚层的点。

    从1819年意大利的数学家乔治比顿开始, 许多研究人员已经试图解释是什么导致水以这种方式跃迁的。英国剑桥大学化学工程和生物技术系的博士候选人拉杰·巴加特说，但是, 迄今为止所有的解释和方程式都靠重力为主要力。

    然而, 巴加特和他的团队最近发现重力与这些水力跃迁几乎没有任何作用。他们7月31日在《流体力学杂志》上发表的研究报告中报道，相反, 它们背后的主要力是表面张力和粘度。

    为了排除重力, 巴加特和他的团队进行了一个简单的实验。他们用一个喷水撞击平坦的水平表面来创造一个简单的水力跃迁------如果你在厨房打开水龙头你会在水槽上看到同样的情况。但随后, 他们以各种方式倾斜这个表面: 垂直的、以45度角和水平的------因此, 以便在最后水射流将正在击中一个变成天花板的表面。为了捕捉最初的跃迁, 他们用高速摄影机记录了发生的。

    在任何情况下, 水力跃迁发生在同一点。换句话说, 无论平面在哪个方向, 这个薄的、快速移动的内层大小都是相同的。巴加特说, 如果重力造成了这个跃迁,在任何一个除了水平平面以外的平面上水就会已经被 "扭曲",这个简单的实验证明它是重力而不是任何其它的。

新的理论并没有倒向重力

    为研究其它可能已经在起作用的力, 研究人员改变了水流粘度------一个它能抵抗流动多少的测量-------通过与一种与表面张力与水相似但比水的粘性更强1000倍的酒精甘油混合。

    他们还保持了粘滞为常数并减少了表面张力------将液态分子聚集在表面的吸引力------混入叫做月桂酸钠苯磺酸盐 (SDBS) 的洗涤剂的普通成分。最后, 他们通过混合水和另外一种酒精丙醇来改变粘度和表面张力,以便溶液的粘性比纯净水更多 25% 但表面张力比水更弱三倍。

    资深作家一个也在剑桥大学的软固体和表面学教授伊恩·威尔逊告诉生活科学,这允许了研究人员来隔离每种力的影响。

    威尔逊说,问题是 "能够预测在一个薄膜和一个厚膜之间这个过渡的地方"。许多以前的理论都无法做到这一点, 因为水力跃迁的位置一旦厚层撞击某种边缘时就会改变, 就像水槽的边缘。

    研究人员发现了这种跃迁发生在来自表面张力和粘度叠加起来并平衡掉来自液体射流的动量的地方。

    威尔逊说, 知道这一跃迁首先发生的地方可能会有工业应用。在跃迁之前形成的薄层比更厚的层携载更多的力, 从而使更薄的区域更有效的传递热量。

    巴加特说, 高速水射流用于工业应用, 如牛奶加工清洗和飞机涡轮叶片或硅半导体的冷却。威尔逊说, 往往在这些应用中, 间歇性的水射流效率更高。他说，为了提高这些间歇射流的效率, 你需要能够预测最初的水力跃迁发生在哪里。

    最初发表在生活科学（Live Science）上。

http://www.foxnews.com/science/2018/08/10/weird-water-behavior-that-intrigued-da-vinci-finally-has-explanation.html?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+foxnews/scitech+(Internal+-+SciTech+-+Mixed)