Bir zamanlar Da Vinci'yi şaşırtan fenomen nihayet açıklandı mı?
Da Vinci'nin düşündüğü sorular
her ne zaman Da Vinci Sanat şaheserlerini boyamadığında veya gökyüzüne insanları gönderen bir makineyi nasıl yapacağını düşünmediğinde, dışarı çıkacak, akan sudaki girdaba bakacak ve tefekkür etmeye başlayacaktır.
Rönesans ustasını şaşırtan sorunlar sayısız bilim insanını da rahatsız etti. Bugün, beş yüz yıl sonra, hala denen bir şeyi düşünüyoruz Su atlama (Hidrolik sıçrama) fenomeni.
da Vinci'nin el yazmasındaki su akışı çalışması. | Resim kaynağı: The Royal Collection @ 2004, Majesteleri Kraliçe II. Elizabeth
Su sıçramaları olgusu her yerde görülebilir ve insanların nasıl oluştuğunu tam olarak anladıklarını yanlış anlayabiliriz. Musluğu açıp havuzun dibinde suyun akışını gözlemlediğimizde, suyun fıskiyenin etrafında ince bir su filmi oluşturduğunu ve su filminin kenarda aniden yükseldiğini ve halka şeklinde bir "adım" oluşturduğunu göreceğiz.
Havuzda halka şeklindeki su atlama. | Resim kaynağı: Wikipedia
Yüksek hızlı su akışı düşük hızlı su akışına girdiğinde, su yüzeyde sıçrayarak sözde hidropound fenomeni oluşturur. Bu sırada, yüksek hızlı su akışının kinetik enerjisinin bir kısmı potansiyel enerjiye dönüştürülerek su yüzeyinin yükselmesine neden olacak ve kinetik enerjinin diğer kısmı ısı enerjisi şeklinde türbülansta dağılacaktır. Çevreleyen su oluşacak Durağan dalga .
Aynı ortamda, iki sıra dalga zıt yönlerde yayıldığında ve aynı genlik ve frekansta (mavi ve kırmızı) dalgalar karşılaştığında, duran bir dalga (siyah) oluşur. Sonuç, bir dizi sabit konumda antinodların (titreşim güçlendirme noktaları) ve düğümlerin (titreşim zayıflatma noktaları) üretilmesidir. Bir dalga ve kendi yansıyan dalgası kolayca duran bir dalga oluşturabilir. Gezici dalgaların aksine, duran dalganın dalga formu ilerleyemez ve bu nedenle enerjiyi yayamaz. | Resim kaynağı: Wikipedia
Bu sabit şok dalgası, su bentlerinde, şelalelerin dibinde, gelgit dalgalanmalarında vb. Farklı hızlardaki sıvıların buluştuğu hemen her yerde görülür.
Gelgitler ve şelalelerde yatay su sıçraması olgusu. | Resim kaynağı: Wikipedia
Araştırma geçmişi
Akan suyun güzelliği, filozofların zihninde 500 yıldan fazla bir süredir var.Ancak, Leonardo'nun doğada akan su üzerine notlarında, ilk olarak sıvıların farklı akış türlerindeki davranışları hakkında ayrıntılı düşünmeyi keşfettik. . Da Vinci için su, tamamen iç doğası gereği bu şekilde akar ve arkasındaki prensibi bilmiyor.
Sonraki yüzyılda, 18. yüzyılda İtalyan fizikçiler Giovanni Battista Guglielmini 19. yüzyılın fizikçileri George Bidone Hidrolik sıçrama fenomenine daha fazla matematiksel ayrıntı verir. 1820'de Bidone ilk olarak hidrolik sıçrama fenomeni üzerine bir çalışma yayınladı. Deney sonuç. Ancak yine de suyun neden bu şekilde aktığını gerçekten açıklamayı başaramadılar.
Nihayet, 1914'te fizikçiler Rayleigh (John Strutt, 3. Baron Rayleigh) gelgit dalgalanmaları ve sıvı şok dalgaları üzerine bir makalede bir öneride bulundu. Viskoziteyi, kinetik enerjiyi, potansiyel enerjiyi ve diğer faktörleri dikkate aldı ve ilk kez bir hidrolik sıçrama gerçekleştirdi. Teorik açıklama . Ayrıca araştırmalarından sonra, yüzey geriliminin şüphesiz önemli bir rol oynadığına, ancak sıvıyı artırarak ve buna bağlı olarak su derinliğini artırarak yüzey geriliminin en aza indirilebileceğine inanıyor.
Rayleigh'den sonraki araştırmacılar da Yüzey geriliminin rolünü göz ardı edin , Ve hızlı hareket eden bir sıvının yarıçapı ile bir hidrolik sıçramanın yüksekliği arasındaki ilişkinin modelini tanımlamak için viskozite, atalet ve yerçekimi kombinasyonunu kullanma eğilimindedir: su yüzeyde aktığında, sürtünme direnci eylemsizliğin üstesinden gelir ve suyu yavaşlatır. Su akışının hızı yeterince hızlı değişirse, bir şok dalgası oluşacak ve sıvı kısa bir mesafede birikerek hidrolik bir sıçrama oluşturacaktır. Su engellemesinin yüksekliğinin, potansiyel enerjinin yukarı doğru çekişi ile suyun dibindeki yerçekiminin oluşturduğu aşağı doğru çekiş arasındaki karşılıklı denge tarafından belirlendiği kabul edilir.
Uzun yıllardır insanlar, hidrolik sıçramanın yüksekliğini belirlemede yer çekiminin önemli bir faktör olup olmadığını tartışıyorlar. Bu nedenle, bir zamanlar Leonardo'nun ilgisini uyandıran bu tuhaf su akışı şekilleri çözülmeden kalır.
Yeni deneysel bulgular
Son araştırmada, Cambridge Üniversitesi, St. Johns College Kimya Mühendisliği Bölümünde bir doktora öğrencisi Rajesh Bhagat Önceki bilim adamlarının yüzey geriliminin etkisini dışlamak için çok aceleci olabileceğine inanılıyor.
Dikey ve yatay düzlemlerde su jetleri fırlattılar ve su aşağı doğru akarken olduğu gibi tam olarak aynı su atlama fenomenini gördüler. . Bhaga ve ekibi raporda şunları yazdı: "Araştırmamız su atlayışı sırasında Su filminin momentumu ile yüzey gerilimi ve viskoz kuvvet dengesi Yerçekimi bunda önemli bir rol oynamıyor. "
(1) Su jetini dikey düzleme fırlatın (2) Su jetini yatay düzleme fırlatın (3) Su jetini yatay düzlemin altından yukarı doğru fırlatın. Aynı su jeti, uçaklarda farklı yönlerde aynı hızda fırlatılır ve hidrolik sıçrama olgusunun oluşturduğu halka yarıçapı aynıdır. | Resim kaynağı: DOI: 10.1017 / jfm.2018.558
Viskoz kuvvet tarafından üretilen yüzey enerjisi radyal yönde iletildiğinden, bu, su akışının hızlı akışı sürdürmek ve ince bir su filmi oluşturmak için yeterli kinetik enerji sağlamada zor olduğu anlamına gelir, ancak hızla yavaşlar ve dik halka şeklinde "adımlar" oluşturmak için kenarda birikir. "Bu sözde dairesel hidrolik sıçramadır. Gelgitler gibi düzlemsel su sıçraması fenomeni için, öne sürdükleri teori de uygulanabilir.
Su filminin kenarındaki yatay su sıçramasının büyütülmüş bir görüntüsü. | Resim kaynağı: DOI: 10.1017 / jfm.2018.558
Bu suların özelliklerini değiştirerek, suyun hangi yönden aktığına bakılmaksızın, su sıçramasının yüksekliğini ve halka yarıçapının boyutunu doğru bir şekilde tahmin edebilir. Yerçekiminin etkisini görmezden gelip yüzey gerilimine odaklanabilen insanlar, başka yollar da kullanabilir. Su atlayışının boyutunu kontrol edin Örneğin, yüzey aktif maddeler ekleyerek.
Mutfak lavabosundaki su sıçraması çok zararlı olmasa da derin sularda su atlama fenomeni çalkantılı dalgalar, türbülans ve girdapların oluşumuna neden olabilir. Ve su sıçramasının oluşturduğu halka şeklindeki sınırı nasıl kontrol edeceğinizi bilerek, bu sınırı keyfi olarak azaltabilir veya genişletebilirsiniz.
Bhagat, "Bu süreci anlamak büyük bir etkiye sahiptir ve endüstriyel su kullanımını büyük ölçüde azaltabilir. Yeni teori, kimya mühendisliği departmanımızın günlük çalışmalarına uygulandı. İnsanlar bu teoriyi temizlemek için uygun yöntemler bulmak için kullanabilir. Arabalardan fabrika ekipmanlarına kadar her şey. "
Rayleigh'in bundan etkilenip etkilenmeyeceği bilinmiyor, ancak Da Vinci akımın kendine özgü şekli hakkında yeni keşifler hakkında daha fazla bilgi sahibi olmaktan mutluluk duyacaktır.
Referans kaynağı:
https://www.joh.cam.ac.uk/household-phenomenon-observed-leonardo-da-vinci-finally-explained-cambridge-researchers
https://www.sciencealert.com/role-of-surface-tension-not-gravity-hydraulic-jump
DOI: 10.1017 / jfm.2018.558, İnce bir sıvı filmdeki hidrolik sıçramanın kökeni hakkında
