حل معمای ۵۰۰ ساله معروف داوینچی

شاید در مورد تناقض یا پارادوکس ۵۰۰ ساله حباب‌های هوای لئوناردو داوینچی شنیده باشید. او که روزی روی سطح آب شناور بود، مشاهده کرد که حباب‌ها به جای بالا آمدن به صورت مستقیم، به صورت مارپیچی و زیگزاگی به سمت سطح آب می‌آیند که وی را به تعجب و تفکر واداشت.

اکنون روشی برای توضیح حرکت نامنظم حباب‌هایی که در آب بالا می‌روند، توسط پروفسور میگوئل آنخل هرادا(Miguel Ángel Herrada) از دانشگاه سویل(Seville) و ینس جی. ایگرز(Jens G. Eggers) از دانشگاه بریستول(Bristol) پیدا شده است. این پژوهشگران ادعا می‌کنند که مطالعه جدید آنها می‌تواند در درک تحرک ذرات که رفتار آنها بین جامد و گاز به صورت انتقالی است، مفید باشد.

روش گسسته‌سازی عددی

همانطور که در بیانیه مطبوعاتی پژوهشگران توضیح داده شده، رابطه هوا و آب در حباب با استفاده از تکنیک گسسته‌سازی عددی مشخص شده است که به آن‌ها اجازه داده حرکت حباب را شبیه‌سازی کنند و پایداری آن را بررسی کنند.

گسسته‌سازی در ریاضیات، روند انتقال توابع پیوسته، مدل‌ها، متغیرها و معادلات، جایگزین‌هایی در ریاضیات گسسته است. این فرآیند معمولاً به عنوان اولین گام در راستای مناسب‌سازی آن‌ها برای ارزیابی عددی و پیاده‌سازی بر روی رایانه‌های دیجیتال است. 

در نهایت، پژوهشگران نشان دادند که حباب‌ها زمانی که شعاع کروی آن‌ها از ۰.۹۲۶ میلی‌متر تجاوز می‌کند، از مسیر مستقیم بالا آمدن در آب خارج می‌شوند.

پژوهشگران مکانیزمی را در مورد ناپایداری مسیر حباب پیشنهاد کرده‌اند که در آن کج شدن دوره‌ای حباب، انحنای آن را تغییر می‌دهد و بر سرعت رو به بالای آن تأثیر می‌گذارد و در نتیجه، حباب در مسیر حرکت خود تاب می‌خورد و سمت قسمتی که انحنای آن افزایش یافته است، کج می‌شود. سپس عدم تعادل فشار باعث می‌شود که حباب به موقعیت اولیه خود بازگردد و این چرخه دوره‌ای را ادامه دهد، زیرا سیال سریع‌تر حرکت می‌کند و فشار سیال در نزدیکی سطح با انحنای زیاد کاهش می‌یابد.

میگوئل آنخل هرادا و ینس ایگرز که از پژوهشگران فیزیک سیالات هستند، می‌گویند: حرکت حباب‌ها در آب برای طیف گسترده‌ای از پدیده‌های طبیعی، از صنایع شیمیایی گرفته تا محیط‌زیست، نقش محوری دارد. خیزش شناور یک حباب منفرد یک پارادایم بسیار مطالعه شده، هم از نظر تجربی و هم از نظر تئوری است، اما تاکنون با وجود این تلاش‌ها و برخلاف در دسترس بودن قدرت محاسباتی عظیم، امکان تطبیق آزمایش‌ها با شبیه‌سازی‌های عددی معادلات هیدرودینامیکی برای یک حباب هوای تغییر شکل‌پذیر در آب وجود نداشت.

آنها افزودند: این امر به‌ویژه در مورد مشاهدات جالبی که قبلا توسط لئوناردو داوینچی انجام شده بود، صادق است که حباب‌های هوای به اندازه کافی بزرگ به جای بالا رفتن در امتداد یک خط مستقیم، یک حرکت تناوبی انجام می‌دهند.

این مطالعه در مجله PNAS منتشر شده است.