Im 16. Jahrhundert beschrieb Leonardo da Vinci erstmals ein faszinierendes Phänomen des Wassers, das später als hydraulischer Sprung bekannt wurde. Und nur fünf Jahrhunderte später haben Wissenschaftler endlich erklärt, warum es passiert.
Dieser Sprung ist keine obskure Eigenschaft, die nur für Wissenschaftler sichtbar ist. Sie müssen wirklich nur in Ihre Küche gehen oder in die Dusche springen, um es zu sehen.
Wenn Sie einen Wasserhahn aufdrehen, beachten Sie, was passiert, wenn das Wasser auf die Oberfläche der Spüle trifft. Es entsteht eine sehr dünne, schnell fließende, kreisförmige Wasserschicht, die von einem dickeren, konzentrischen Ring aus turbulentem Wasser umgeben ist. Ein hydraulischer Sprung bezieht sich auf den Punkt, an dem das Wasser aufsteigt und die dickere Schicht bildet.
Ab 1819 haben viele Forscher mit dem italienischen Mathematiker Giorgio Bidone versucht zu erklären, warum Wasser auf diese Weise springt. Alle bisherigen Erklärungen und Gleichungen stützten sich jedoch auf die Schwerkraft als Hauptkraft, sagte der Hauptautor Rajesh K. Bhagat, Doktorand am Institut für Chemieingenieurwesen und Biotechnologie der Universität von Cambridge in England.
Um die Schwerkraft auszuschließen, führten Bhagat und sein Team ein einfaches Experiment durch. Sie treffen mit einem Wasserstrahl auf eine flache, horizontale Oberfläche, um einen einfachen hydraulischen Sprung zu erzeugen - die gleiche Art, die Sie sehen würden, wenn Sie Wasser am Spülbecken einschalten würden. Aber dann kippten sie diese Oberfläche auf verschiedene Weise: vertikal, in einem 45-Grad-Winkel und horizontal - so dass der Wasserstrahl zuletzt auf eine Oberfläche traf, die zur Decke wurde. Um den ersten Sprung festzuhalten, haben sie aufgezeichnet, was mit Hochgeschwindigkeitskameras passiert ist.
In jedem Fall erfolgte der hydraulische Sprung an derselben Stelle. Mit anderen Worten, die dünne, sich schnell bewegende innere Schicht hatte unabhängig von der Ausrichtung der Ebene die gleiche Größe. Wenn die Schwerkraft die Sprünge verursacht hätte, wäre das Wasser in einer der Ebenen außer der horizontalen "verzerrt" worden Sagte Bhagat. "Dieses einfache Experiment beweist, dass es alles andere als Schwerkraft ist."
Die neue Theorie ist nicht mit der Schwerkraft verbunden
Um die anderen Kräfte zu untersuchen, die möglicherweise eine Rolle gespielt haben, variierten die Forscher die Viskosität des Wasserstroms - ein Maß dafür, wie stark er dem Fluss widerstehen kann -, indem sie ihn mit Glycerin mischten, einer Art Alkohol mit einer Oberflächenspannung, die der von Wasser ähnelt Das ist 1000-mal viskoser als das von Wasser.
Sie hielten auch die Viskosität konstant und reduzierten die Oberflächenspannung - die Anziehungskraft, die flüssige Moleküle an der Oberfläche zusammenhält -, indem sie einen gemeinsamen Bestandteil des Waschmittels Natriumdodecylbenzolsulfonat (SDBS) einmischten.. Schließlich variierten sie sowohl die Viskosität als auch die Oberflächenspannung durch Mischen von Wasser und Propanol, einer anderen Art von Alkohol, so dass die Lösung 25 Prozent viskoser als reines Wasser war, jedoch eine dreimal schwächere Oberflächenspannung aufwies.
Dies ermöglichte es den Forschern, den Einfluss jeder Kraft zu isolieren, sagte der leitende Autor Ian Wilson, Professor für weiche Feststoffe und Oberflächen, ebenfalls an der Universität von Cambridge, gegenüber Live Science.
Es geht darum, "vorhersagen zu können, wo dieser Übergang zwischen einem dünnen und einem dicken Film beginnt", sagte Wilson. Viele der vorherigen Theorien konnten dies nicht tun, da sich die Position des hydraulischen Sprungs ändert, sobald die dicke Schicht auf eine Kante wie die Kante der Spüle trifft.
Der Sprung erfolgt an der Stelle, an der sich die Kräfte aus Oberflächenspannung und Viskosität addieren und den Impuls des Flüssigkeitsstrahls ausgleichen, fanden die Autoren.
Zu wissen, wo dieser Sprung zuerst auftritt, könnte Anwendungen in der Industrie haben, sagte Wilson. Die dünne Schicht, die sich vor dem Sprung bildet, trägt viel mehr Kraft als die dickere Schicht, wodurch der dünnere Bereich effizienter Wärme überträgt.
Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahlen werden in industriellen Anwendungen wie der Reinigung in der Milchverarbeitung und der Kühlung von Flugzeugturbinenschaufeln oder Siliziumhalbleitern verwendet, sagte Bhagat. Oft sind bei diesen Anwendungen intermittierende Wasserstrahlen effizienter, sagte Wilson. Um die Effizienz dieser intermittierenden Düsen zu verbessern, müssen Sie vorhersagen können, wo die ersten hydraulischen Sprünge stattfinden, sagte er.
