Иногда пузырьки воздуха поднимаются к поверхности воды не по прямой линии, а по спирали. Этот необычный феномен был замечен Леонардо да Винчи более полутысячелетия назад, и лишь сейчас удалось найти ему объяснение.
Леонардо да Винчи, объединивший таланты художника, инженера и скульптора, вошел в историю как одна из самых выдающихся личностей. Его имя сегодня ассоциируется с множеством уникальных наблюдений и явлений, в том числе с рядом парадоксов. В гидродинамике парадоксом Леонардо называют странное поведение пузырьков, поднимающихся в воде.
Около полутысячелетия назад итальянский ученый обратил внимание на то, что, в то время как большинство пузырьков поднимаются непосредственно к поверхности, некоторые из них начинают колебаться и движутся вверх по спирали. Эту траекторию он зарисовал и оставил в своих записях, которые вошли в Лестерский кодекс. Загадка парадокса Леонардо сохранялась до недавнего времени. Решение этой задачи было найдено лишь недавно, о чем написано в статье опубликована в журнале PNAS.
По результатам наблюдений установлено, что пузырьки небольшого размера (менее миллиметра в диаметре) поднимаются в воде в основном вертикально, в то время как более крупные пузырьки отклоняются в стороны, двигаясь по спирали. Мигель Геррада из Севильского университета и Йенс Эггерс из Бристольского университета провели дополнительные расчеты, которые выявили, что критический размер пузырька равен 0,926 миллиметра.
Если диаметр пузырька превышает указанное значение, он становится неустойчивым и теряет свою сферическую форму. На его поверхности возникают зоны с различной степенью выпуклости. В местах с большей выпуклостью вода обтекает пузырек быстрее, что приводит к изменению давления оказывается ниже, снижение давления приводит к смещению пузырька в сторону. В то же время, это позволяет сильно изогнутому участку вернуться к своей первоначальной форме и немного «округлиться».
Несмотря на нестабильность, он вновь деформируется, и цикл повторяется, вызывая периодические колебания. По мнению авторов, при достижении критических размеров «пузырек изменяет форму под воздействием сил, действующих на него со стороны воды, а также, в свою очередь, влияет на характеристики течения воды вокруг себя».
Новое исследование — это не только интересная теоретическая работа. Образование и движение пузырьков в жидкости сопутствуют многим природным процессам (включая хруст пальцев) и широко используются в промышленности. Знание их характеристик поможет глубже понять природные процессы и повысить эффективность отдельных производственных этапов.