I det 16. århundrede beskrev Leonardo da Vinci først et fascinerende fænomen, der involverede vand, der senere blev kendt som det hydrauliske hopp. Og kun fem århundreder senere har forskere endelig forklaret, hvorfor det sker.
Dette hopp er ikke en obskure egenskab, der kun er synlig for forskere. Du har virkelig bare brug for at gå ind i dit køkken eller hoppe ind i bruser for at se det.
Hvis du tænder for en vandhane, skal du lægge mærke til, hvad der sker, når vandet rammer overfladen på vasken. Det skaber et meget tyndt, hurtigtstrømmende, cirkulært lag vand omgivet af en tykkere, koncentrisk ring af turbulent vand. Et hydraulisk hopp henviser til det punkt, hvor vandet stiger op og danner det tykkere lag.
Fra 1819 med den italienske matematiker Giorgio Bidone har mange forskere forsøgt at forklare, hvad der får vand til at springe på denne måde. Men alle de hidtidige forklaringer og ligninger har lænet sig på tyngdekraften som den største styrke, sagde hovedforfatter Rajesh K. Bhagat, en doktorgradskandidat i afdelingen for kemiteknik og bioteknologi ved University of Cambridge i England.
For at udelukke tyngdekraften udførte Bhagat og hans team et simpelt eksperiment. De ramte en flad, vandret overflade med en vandstråle for at skabe et simpelt hydraulisk spring - den samme slags, som du ville se, hvis du tændte for vand ved køkkenvasken. Men så vippede de denne overflade på forskellige måder: lodret, i en 45-graders vinkel og vandret - så til sidst ramte vandstrålen en overflade, der blev et loft. For at fange det indledende spring, registrerede de, hvad der skete med højhastighedskameraer.
I hvert tilfælde skete det hydrauliske hopp på samme sted. Med andre ord, det tynde, hurtigt bevægende indre lag var af samme størrelse, uanset hvilken retning flyet befandt sig i. Hvis tyngdekraften havde forårsaget hoppene, ville vandet have været "forvrænget" i nogen af planetene ud over den vandrette , Sagde Bhagat. "Dette enkle eksperiment beviser, at det er alt andet end tyngdekraften."
Den nye teori er ikke nede med tyngdekraften
For at studere de andre kræfter, der måske har spillet, varierede forskerne vandstrømmens viskositet - et mål for hvor meget det kan modstå strømning - ved at blande det med glycerol, en type alkohol med en overfladespænding, der ligner vand, men det er 1.000 gange mere tyktflydende end vandet.
De holdt også viskositeten konstant og reducerede overfladespændingen - den attraktive kraft, der holder flydende molekyler sammen ved overfladen - ved at blande en almindelig ingrediens i detergent kaldet natriumdodecylbenzensulfonat (SDBS). Endelig varierede de både viskositet og overfladespænding ved at blande vand og propanol, en anden slags alkohol, så opløsningen var 25 procent mere viskøs end rent vand, men havde en overfladespænding tre gange svagere.
Dette gjorde det muligt for forskerne at isolere indflydelsen fra hver styrke, fortalte seniorforfatter Ian Wilson, professor i bløde faste stoffer og overflader, også ved University of Cambridge, til Live Science.
Pointen er at være "i stand til at forudsige, hvor denne overgang mellem en tynd film og en tyk film starter," sagde Wilson. Mange af de tidligere teorier kunne ikke gøre det, fordi placeringen af det hydrauliske spring ændrer sig, når det tykke lag rammer en slags kant, ligesom kanten af vasken.
Springet finder sted på det sted, hvor kræfterne fra overfladespænding og viskositet samles og afbalancerer momentumet fra væskestrålen, fandt forfatterne.
At vide, hvor dette hopp først opstår, kan have applikationer i branchen, sagde Wilson. Det tynde lag, der dannes før hoppet, bærer meget mere kraft end det tykkere lag gør, hvilket gør det tyndere område mere effektivt til at overføre varme.
Højhastighedsstråler af vand bruges i industrielle applikationer, såsom rengøring i mælkeforarbejdning og afkøling af flyvemaskine eller siliciumhalvledere, sagde Bhagat. Ofte i disse applikationer er intermitterende vandstråler mere effektive, sagde Wilson. For at forbedre effektiviteten af disse intermitterende jetfly skal du være i stand til at forudsige, hvor de indledende hydrauliske spring springer, sagde han.
