“達(dá)芬奇悖論”得到解決解開(kāi)了水中上升的氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定的秘密 _達(dá)芬奇

“達(dá)芬奇悖論”得到解決解開(kāi)了水中上升的氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定的秘密(CREDIT:Universidad de Sevilla)
據(jù)EurekAlert!：塞維利亞大學(xué)的Miguel Ángel Herrada教授與布里斯托爾大學(xué)的Jens G. Eggers教授找到了解釋氣泡在水中上升時(shí)進(jìn)行不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的機(jī)制。他們指出，這對(duì)理解表現(xiàn)介于固體和氣體之間的顆粒的運(yùn)動(dòng)非常有幫助。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表在著名的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。
早在5個(gè)世紀(jì)前，萊昂納多·達(dá)·芬奇就觀察到，如果氣泡足夠大，就會(huì)周期性地偏離直線軌跡，在直線方向上以Z字形或螺旋形的軌跡前進(jìn) 。然而，他并沒(méi)有對(duì)這一現(xiàn)象做出量化的表述，也沒(méi)有提出能夠解釋這一周期性運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制。
而新研究的作者開(kāi)發(fā)了一種數(shù)值離散化技術(shù)，可以精準(zhǔn)確定氣泡的氣/水交界面特征，從而模擬其運(yùn)動(dòng)，研究其穩(wěn)定性。模擬結(jié)果與氣泡不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的高精度測(cè)量結(jié)果一致，表明如果其球面半徑超過(guò)0.926毫米，氣泡就會(huì)在水中偏離直線軌跡，這一結(jié)果與上世紀(jì)90年代在超純水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果相差不超過(guò)2% 。
研究人員提出了一種機(jī)制來(lái)解釋氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡的不穩(wěn)定性，他們認(rèn)為周期性的傾斜改變了曲率，由此影響了氣泡的上升速度，造成氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡搖擺，且氣泡曲率上升的那一側(cè)向上傾斜。接下來(lái) ，隨著液體流速變快，高曲率表面周圍的流體壓力下降，這種壓力的不平衡讓氣泡回到原來(lái)的位置，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán) 。
相關(guān)：達(dá)芬奇關(guān)于氣泡破裂周期運(yùn)動(dòng)的悖論
據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（塞維利亞大學(xué)）：塞維利亞大學(xué)的Miguel Ángel Herrada教授和布里斯托大學(xué)的Jens G. Eggers教授發(fā)現(xiàn)了一種解釋氣泡在水中上升的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)制。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，發(fā)表在PNAS雜志上的結(jié)果可能有助于了解行為介于固體和氣體之間的粒子的運(yùn)動(dòng) 。
列奧納多·達(dá)·芬奇（Leonardo da Vinci）在五個(gè)世紀(jì)前就觀察到，氣泡如果足夠大，會(huì)周期性地偏離直線運(yùn)動(dòng)的鋸齒形或螺旋形。然而，從未發(fā)現(xiàn)對(duì)這種現(xiàn)象或物理機(jī)制的定量描述來(lái)解釋這種周期性運(yùn)動(dòng) 。
這篇新論文的作者開(kāi)發(fā)了一種數(shù)值離散化技術(shù)來(lái)精確表征氣泡的空氣 - 水界面，使他們能夠模擬其運(yùn)動(dòng)并探索其穩(wěn)定性。他們的模擬與非定常氣泡運(yùn)動(dòng)的高精度測(cè)量非常匹配，并表明當(dāng)氣泡的球面半徑超過(guò)0.926毫米時(shí) ，氣泡在水中偏離直線軌跡，這一結(jié)果在90年代使用超純水獲得的實(shí)驗(yàn)值的2%以內(nèi) 。
研究人員提出了一種氣泡軌跡不穩(wěn)定的機(jī)制，即氣泡的周期性傾斜會(huì)改變其曲率，從而影響向上的速度并導(dǎo)致氣泡軌跡的擺動(dòng)，向上傾斜曲率增加的氣泡的一側(cè) 。
然后，隨著流體移動(dòng)得更快并且流體壓力在高曲率表面周圍下降，壓力不平衡將氣泡返回到其原始位置，重新啟動(dòng)周期性循環(huán) 。

“達(dá)芬奇悖論”得到解決 解開(kāi)了水中上升的氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定的秘密

“達(dá)芬奇悖論”得到解決解開(kāi)了水中上升的氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定的秘密