Физики решили парадокс Леонардо, описавшего странное движение пузырьков

Художник, инженер и скульптор Леонардо да Винчи стал одной из самых знаменитых личностей в истории. Сегодня с его именем связан целый ряд необычных наблюдений и явлений, включая несколько парадоксов. В гидродинамике парадоксом Леонардо называют странное поведение пузырьков, поднимающихся в воде.

Еще около 500 лет назад великий итальянец заметил, что тогда как большинство пузырьков устремляется снизу прямо к поверхности, некоторые из них начинают колебаться и поднимаются вверх по спирали. Он сделал набросок такого движения, который дошел до нашего времени в тетради заметок, известной как Лестерский кодекс. До сегодняшнего дня сохранилась и загадка парадокса Леонардо. Решить его удалось лишь недавно, статья об этом опубликована в журнале PNAS.

Набросок в Лестерском кодексе показывает спиральную траекторию подъема некоторых пузырьков / ©Public Domain

Наблюдения подтверждают, что достаточно мелкие — менее миллиметра в диаметре — пузырьки поднимаются в воде более-менее по прямой, тогда как более крупные колеблются из стороны в сторону, двигаясь по спиральной траектории. Мигель Геррада (Miguel Herrada) из Севильского университета и Йенс Эггерс (Jens Eggers) из Бристольского университета провели новые расчеты и показали, что критический размер составляет 0,926 миллиметра.

Если диаметр пузырька превышает эту величину, он становится нестабильным и теряет ровную сферическую форму. На его поверхности появляются участки с большим и меньшим изгибом. Там, где изгиб больше, вода обтекает пузырек быстрее, а значит, ее давление оказывается ниже, заставляя пузырек смещаться вбок. Одновременно то же понижение давления позволяет сильно изогнутому участку восстановить форму и слегка «округлиться».

Однако, оставаясь нестабильным, он снова деформируется, и весь процесс повторяется снова, создавая периодические колебания из стороны в сторону. Как пишут авторы, при превышении критических размеров «пузырек деформируется в ответ на силы, действующие на него со стороны воды, и наоборот, форма пузырька меняет характеристики течения воды вокруг него».

Новая работа — не просто любопытное теоретическое исследование. Пузырьки, образующиеся и движущиеся в жидкости, сопровождают целый ряд природных явлений (включая хруст пальцев) и активно применяются в промышленности. Понимание их свойств позволит лучше разобраться в естественных процессах и оптимизировать некоторые этапы производства.