Daugiau nei prieš 500 metų Leonardo da Vinci stebėjo, kaip oro burbuliukai plūduriuoja vandenyje – ir atkreipė dėmesį, kad kai kurie burbuliukai užuot tiesiai kilę į paviršių, nepaaiškinamai pradeda suktis spirale arba zigzagais.
Šimtmečius niekas nesugebėjo tinkamai paaiškinti šio keisto periodinio kai kurių burbuliukų judėjimo vandenyje nuokrypio, kuris galiausiai buvo pavadintas „Leonardo paradoksu“.
Tačiau šį mėnesį žurnale „Proceedings of the National Academy of Sciences“ paskelbtame tyrime teigiama, kad pora mokslininkų, sukūrė naują modeliavimą, kuris atitinka didelio tikslumo poveikio matavimus, ir galiausiai išsprendė šią seną mįslę.
Rezultatai rodo, kad burbuliukai gali pasiekti kritinį spindulį, dėl kurio jie pasuka naujais ir nestabiliais keliais – dėl juos supančio vandens srauto ir subtilių jų formų deformacijų sąveikos.
„Burbuliukų judėjimas vandenyje vaidina pagrindinį vaidmenį daugelyje gamtos reiškinių – nuo chemijos pramonės iki aplinkosaugos“, – teigia tyrimo autoriai Miguelis Herrada ir Jensas Eggersas, kurie yra skysčių fizikos tyrėjai atitinkamai Sevilijos universitete (Italija) ir Bristolio universitete (Anglija). – Pavienio burbuliuko plūdrumas yra tiek eksperimentiškai, tiek teoriškai intensyviai tyrinėjama paradigma“.
„Tačiau, nepaisant šių pastangų ir lengvai prieinamos didžiulės skaičiavimo galios, eksperimentų nepavyko suderinti su skaitmeniniu visų deformuojamo oro burbuliuko vandenyje hidrodinaminių lygčių modeliavimu, – teigia mokslininkų komanda. – Tai visų pirma pasakytina apie intriguojantį dar Leonardo da Vinci pastebėjimą, kad pakankamai dideli oro burbuliukai atlieka periodinį judėjimą, o ne kyla tiesia linija“.
Iš tiesų, burbuliukai mūsų kasdienybėje yra tokie įprasti, kad lengva pamiršti, jog jie yra dinamiškai sudėtingi ir juos dažnai sudėtinga tirti eksperimentiškai. Vandenyje kylančius oro burbuliukus veikia daugybė susikertančių jėgų – tokių kaip skysčio klampumas, paviršiaus trintis ir aplink esančios medžiagos – kurios iškreipia burbuliukų formas ir keičia aplink juos tekančio vandens dinamiką.
L. da Vinci pastebėjo – o vėliau tai patvirtino ir kiti mokslininkai – kad oro burbuliukai, kurių sferos spindulys yra daug mažesnis nei milimetras, yra linkę vandenyje kilti tiesiai aukštyn, o didesni burbuliukai „svyruoja“, todėl periodiškai susidaro spiralinės ar zigzaginės trajektorijos.
Sudėtingai oro burbuliukų ir vandens terpės sąveikai modeliuoti M.Herrada ir J.Eggersas naudojo Navier-Stokeso lygtis, kurios yra matematinė klampiųjų skysčių judėjimo aprašymo sistema. Komandai pavyko tiksliai nustatyti sferos spindulį, kuris lemia kilimo trajektorijos pasikeitimą – 0,926 milimetro, t. y. maždaug pieštuko galiuko dydis – ir aprašyti galimą vingiuoto judėjimo mechanizmą.
Kritinį spindulį viršijantis burbuliukas tampa nestabilesniu, todėl pakrypsta ir pasikeičia burbuliuko išgaubtumas. Išgaubtumo pokytis padidina vandens greitį aplink burbulo paviršių, todėl prasideda svyravimo judesys. Tada dėl slėgio disbalanso, susidariusio dėl jo išlenktos formos deformacijų, burbuliukas grįžta į pradinę padėtį – ir procesas kartojasi periodiniu ciklu.
Naujasis tyrimas ne tik išsprendė 500 metų senumo mįslę, bet ir gali padėti išsiaiškinti daugybę kitų klausimų, susijusių su burbulų ir kitų objektų, kuriuos nelengva suskirstyti į kategorijas, elgesiu.
„Nors anksčiau buvo manoma, kad burbuliuko trajektorija tampa nestabili, dabar mes parodome naują mechanizmą, pagrįstą srauto ir burbuliuko deformacijos sąveika, – tyrimo išvadose teigia M.Herrada ir J.Eggersas. – Tai atveria duris mažų esybių, esančių daugumoje praktinių situacijų, kai imituojamos dalelės, esančios kažkur tarp kietojo kūno ir dujų, tyrimams“.
Parengta pagal „Vice“.
