@ 2018.08.18 , 14:00

让达芬奇困惑不已的水跃现象

15世纪,莱昂纳多·达芬奇想静静的时候,常常在户外找一处溪流,看着下游的漩涡陷入沉思之中。

文艺复兴时期的大师为一种现象惊讶不已,后世无数科学家也困惑不解。半个世纪之后,我们仍在为这个叫做水跃的东西挠头。现在,剑桥大学的物理学家可能最终解决了这个问题。

吓人的术语——水跃,描述的却是异常熟悉的现象,以至于我们完全没有意识到它的不同寻常。

只要打开水龙头,观察水槽的底部,就能发现以水流冲击的位置为圆心,有一圈的区域似乎只有薄薄的一层水,就好像下方的水都被落下来的激流冲走。同时在这一圈的边缘处,液面明显变高——这就是水跃的含义——但是它们没法涌过去,填满中央的凹陷。如下图

让达芬奇困惑不已的水跃现象

类似的现象也可以在堰、瀑布和潮汐洞穴的底部被观察到。

500年前,达芬奇将它记录到笔记中,不过主要是出于哲学上的思考,他认为这是水元素的本质体现,因此也没有做更多的解释。

在接下来的几个世纪中,18世纪的意大利物理学家Giovanni Battista Guglielmini和19世纪意大利数学家George Bidone为描述这一现象添加了很多数学细节。尽管如此,他们并没有找到水跃现象的真正原因。

最后,在1914年,一位名叫John William的物理学家在一篇关于钻孔和液体冲击波的论文中提出了一个猜想。这位William是英国皇家学会的会长,19世纪末年达到经典物理学颠峰的少数学者之一——世袭男爵,他时不时要纠正别人对他的称呼:“请叫我瑞利勋爵,谢谢。”

他的理论考虑了粘度、动能和势能等因素。

另一方面,表面张力“无疑是相当重要的一部分,但是在这里可以通过增加流量来使其影响最小化”。

瑞利勋爵以后的研究人员也将表面张力视为微不足道的影响因素,得到的模型可以使用已知的参数,如粘度、惯性和重力的组合来描述冲击而下的液体的形成的圈半径与圈边缘高度之间的联系。

当水沿着表面流动时,摩擦力克服其惯性并使流体减速。如果水流像是瀑布那样冲刷而下,则会产生冲击波,液体在短距离外堆积成高出中心位置的水墙。

边缘处水墙的高度取决于冲击水量的大小所能平衡的势能。

当然,这一模型并不完美;多年来,人们一直对这一过程中引力所起的作用争论不休。

在一项新的研究中,化学工程研究员Rajesh Bhagat认为,以前的科学家为了方便将表面张力剔除在模型之外,有点急功近利了。

“我们可以证明,水在边缘处升高时,表面张力和粘性力平衡了液膜中的动量,重力没有起到重要作用。”Bhagat和他的团队在报告中写道。

如果重力的影响微不足道,而表面张力才是关键,那么以后可以更加方便地操纵这一现象,例如像水体中添加表面活性剂。

“我们的研究非常有意义,可以大大减少工业用水。”Bhagat说,“人们可以在这一理论的指导下,发明出清洁汽车或工厂设备的全新技术。”

很难说,瑞利勋爵是否会同意他们的意见。但是我们猜想,达芬奇如果知道了最新的进展,应该会为更加接近水的本质而感到高兴吧。

该研究发表在《流体力学》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

随意吐个槽,这里水跃是hydraulic jump的标准术语翻译。但是感觉似乎这里的jump应该采纳‘激增’这层意思——因为高流速的超临界流进入低流速的亚临界流中,流体的速度突然变慢,流体部分的动能被紊流消散,部份动能则转换为位能,水的分布在某个界限处突然水量增加,在水龙头和水槽的观察效果下就是有一圈水墙,从平面坐标考虑,分布在那里的水量激增。


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