في القرن السادس عشر ، وصف ليوناردو دا فينشي لأول مرة ظاهرة رائعة تتعلق بالمياه والتي أصبحت تعرف فيما بعد بالقفزة الهيدروليكية. وبعد خمسة قرون فقط ، شرح العلماء أخيراً سبب حدوث ذلك.
هذه القفزة ليست بعض الخصائص الغامضة التي لا تظهر إلا للعلماء. ما عليك سوى السير في مطبخك أو القفز في الحمام لرؤيته.
إذا قمت بتشغيل الصنبور ، لاحظ ما يحدث عندما تصطدم المياه بسطح الحوض. إنه يخلق طبقة دائرية رفيعة جدًا وسريعة التدفق من الماء محاطة بحلقة سميكة متحدة المركز من الماء المضطرب. تشير القفزة الهيدروليكية إلى النقطة التي يرتفع فيها الماء ويشكل الطبقة الأكثر سمكًا.
بدءًا من عام 1819 مع عالم الرياضيات الإيطالي جورجيو بيدون ، حاول العديد من الباحثين تفسير أسباب قفز المياه بهذه الطريقة. وقال المؤلف الرئيسي راجيش ك.باغات ، مرشح الدكتوراه في قسم الهندسة الكيميائية والتكنولوجيا الحيوية في جامعة كامبريدج في إنجلترا ، إن جميع التفسيرات والمعادلات حتى الآن تعتمد على الجاذبية كقوة رئيسية.
لاستبعاد الجاذبية ، أجرى بهجت وفريقه تجربة بسيطة. لقد ضربوا سطحًا أفقيًا مسطحًا بنفث من الماء لإنشاء قفزة هيدروليكية بسيطة - نفس النوع الذي ستراه إذا قمت بتشغيل المياه في حوض المطبخ. ولكن بعد ذلك ، قاموا بإمالة هذا السطح بطرق مختلفة: عموديًا بزاوية 45 درجة وأفقيًا - بحيث في النهاية ، ستضرب المياه النفاثة سطحًا أصبح سقفًا. لالتقاط القفزة الأولية ، سجلوا ما حدث مع الكاميرات عالية السرعة.
في كل حالة ، حدثت القفزة الهيدروليكية في نفس النقطة. وبعبارة أخرى ، فإن الطبقة الداخلية الرقيقة سريعة الحركة كانت بنفس الحجم بغض النظر عن اتجاه الطائرة. إذا كانت الجاذبية قد تسببت في القفزات ، لكان الماء "مشوهاً" في أي من الطائرات إلى جانب المستوى الأفقي قال بهجت. "هذه التجربة البسيطة تثبت أنها ليست سوى الجاذبية."
النظرية الجديدة لا تسقط بالجاذبية
لدراسة القوى الأخرى التي قد تكون لعبت ، قام الباحثون بتغيير لزوجة تيار الماء - وهو مقياس لمقدارها على مقاومة التدفق - من خلال مزجها مع الجلسرين ، وهو نوع من الكحول مع توتر سطحي مشابه للماء ، ولكن هذا أكثر لزوجة 1000 مرة من الماء.
كما أبقوا اللزوجة ثابتة وقللوا من التوتر السطحي - القوة الجذابة التي تحمل الجزيئات السائلة معًا على السطح - عن طريق الخلط في مكون شائع في منظف يسمى الصوديوم دوديسيل بنزين سلفونات (SDBS). وأخيرًا ، قاموا بتغيير كل من اللزوجة والتوتر السطحي عن طريق خلط الماء والبروبانول ، وهو نوع آخر من الكحول ، بحيث يكون المحلول أكثر لزوجة بنسبة 25 بالمائة من الماء النقي ولكن كان التوتر السطحي أضعف ثلاث مرات.
وقال المؤلف الكبير إيان ويلسون ، أستاذ المواد الصلبة والسطوح ، في جامعة كامبريدج ، لـ Live Science ، إن ذلك سمح للباحثين بعزل تأثير كل قوة.
وقال ويلسون إن الهدف هو "القدرة على التنبؤ بمكان بدء هذا الانتقال بين فيلم رقيق وفيلم سميك". لم تستطع الكثير من النظريات السابقة القيام بذلك ، لأن موقع القفزة الهيدروليكية يتغير بمجرد أن تصل الطبقة السميكة إلى نوع ما من الحافة ، مثل حافة الحوض.
ووجد الباحثون أن القفزة تحدث في المكان الذي تجمع فيه القوى من التوتر السطحي واللزوجة وتوازن الزخم من السائل النفاث.
قال ويلسون إن معرفة مكان حدوث هذه القفزة لأول مرة يمكن أن يكون له تطبيقات في الصناعة. الطبقة الرقيقة التي تتكون قبل القفزة تحمل قوة أكبر بكثير من الطبقة السميكة ، مما يجعل المنطقة الرقيقة أكثر كفاءة في نقل الحرارة.
وقال بهجت إن الطائرات النفاثة عالية السرعة تستخدم في التطبيقات الصناعية ، مثل التنظيف في معالجة الحليب وتبريد شفرات توربينات الطائرات أو أشباه موصلات السيليكون. وقال ويلسون في كثير من الأحيان في هذه التطبيقات ، تكون النفاثات المتقطعة للمياه أكثر كفاءة. وقال إنه لتحسين كفاءة هذه الطائرات المتقطعة ، يجب أن تكون قادرًا على التنبؤ بمكان حدوث القفزات الهيدروليكية الأولية.
