In de 16e eeuw beschreef Leonardo da Vinci voor het eerst een fascinerend fenomeen met water dat later bekend werd als de hydraulische sprong. En slechts vijf eeuwen later hebben wetenschappers eindelijk uitgelegd waarom het gebeurt.
Deze sprong is geen obscure eigenschap die alleen zichtbaar is voor wetenschappers. Je hoeft alleen maar je keuken in te lopen of onder de douche te springen om het te zien.
Als je een kraan aanzet, let dan op wat er gebeurt als het water het oppervlak van de gootsteen raakt. Het creëert een zeer dunne, snelstromende, cirkelvormige waterlaag omgeven door een dikkere, concentrische ring van turbulent water. Een hydraulische sprong verwijst naar het punt waar het water omhoog komt en de dikkere laag vormt.
Beginnend in 1819 met de Italiaanse wiskundige Giorgio Bidone, hebben veel onderzoekers geprobeerd uit te leggen waardoor water op deze manier springt. Maar alle verklaringen en vergelijkingen tot nu toe leunden op de zwaartekracht als de belangrijkste kracht, zei hoofdauteur Rajesh K. Bhagat, een promovendus bij de afdeling chemische technologie en biotechnologie aan de Universiteit van Cambridge in Engeland.
Om de zwaartekracht uit te sluiten, hebben Bhagat en zijn team een eenvoudig experiment uitgevoerd. Ze raakten een vlak, horizontaal oppervlak met een waterstraal om een eenvoudige hydraulische sprong te maken - dezelfde soort die je zou zien als je water aanzet bij het aanrecht. Maar toen kantelden ze dit oppervlak op verschillende manieren: verticaal, onder een hoek van 45 graden en horizontaal - zodat uiteindelijk de waterstraal een oppervlak zou raken dat een plafond werd. Om de eerste sprong vast te leggen, legden ze vast wat er gebeurde met snelle camera's.
In elk geval gebeurde de hydraulische sprong op hetzelfde punt. Met andere woorden, de dunne, snel bewegende binnenlaag had dezelfde afmeting, ongeacht in welke richting het vliegtuig zich bevond. Als de zwaartekracht de sprongen had veroorzaakt, zou het water "vervormd" zijn geweest in elk van de vlakken naast de horizontale , Zei Bhagat. 'Dit eenvoudige experiment bewijst dat het allesbehalve de zwaartekracht is.'
De nieuwe theorie zit niet onder de zwaartekracht
Om de andere krachten die mogelijk een rol speelden te bestuderen, varieerden de onderzoekers de viscositeit van de waterstroom - een maat voor hoeveel het de stroming kan weerstaan - door het te mengen met glycerol, een soort alcohol met een oppervlaktespanning die vergelijkbaar is met die van water, maar dat is 1.000 keer stroperiger dan water.
Ze hielden ook de viscositeit constant en verminderden de oppervlaktespanning - de aantrekkingskracht die vloeibare moleculen aan het oppervlak bij elkaar houdt - door een algemeen ingrediënt in wasmiddel genaamd natriumdodecylbenzeensulfonaat (SDBS) te mengen. Ten slotte varieerden ze zowel de viscositeit als de oppervlaktespanning door water en propanol, een ander soort alcohol, te mengen, zodat de oplossing 25 procent viskeuzer was dan puur water, maar een oppervlaktespanning had die driemaal zwakker was.
Hierdoor konden de onderzoekers de invloed van elke kracht isoleren, vertelde senior auteur Ian Wilson, een professor in zachte vaste stoffen en oppervlakken, ook aan de Universiteit van Cambridge, aan WordsSideKick.com.
Het gaat erom 'te kunnen voorspellen waar deze overgang tussen een dunne film en een dikke film begint', zei Wilson. Veel van de vorige theorieën konden dat niet, omdat de locatie van de hydraulische sprong verandert zodra de dikke laag een soort rand raakt, zoals de rand van de gootsteen.
De sprong vindt plaats op de plek waar de krachten van oppervlaktespanning en viscositeit optellen en het momentum van de vloeistofstraal in evenwicht brengen, vonden de auteurs.
Weten waar deze sprong voor het eerst plaatsvindt, kan toepassingen in de industrie hebben, zei Wilson. De dunne laag die voor de sprong ontstaat, heeft veel meer kracht dan de dikkere laag, waardoor het dunnere gebied efficiënter warmte kan overdragen.
Hogesnelheidsstralen water worden gebruikt in industriële toepassingen, zoals het reinigen van melk en het koelen van turbinebladen van vliegtuigen of siliciumhalfgeleiders, zei Bhagat. Vaak zijn in deze toepassingen intermitterende waterstralen efficiënter, zei Wilson. Om de efficiëntie van deze intermitterende jets te verbeteren, moet je kunnen voorspellen waar de eerste hydraulische sprongen plaatsvinden, zei hij.
