莱昂纳多·达芬奇在500年前就观察到,气泡如果足够大,会周期性地从直线运动中偏离为之字形或螺旋形运动。然而,这种现象的定量描述或物理机制从未被发现来解释这种周期性运动。
莱昂纳多·达芬奇在他的《莱斯特法典》(Codex Leicester)手稿中的草图,显示了一个上升的气泡的螺旋运动(Fig. 2)。发表在PNAS的这篇文章的作者们开发了一种数值离散技术来精确地描述气泡的气水界面,这使得他们能够模拟气泡的运动并探索其稳定性。他们的模拟结果与非稳态气泡运动的高精度测量结果非常吻合,并且表明当气泡的球面半径超过0.926 mm时,气泡会偏离水中的直线轨迹,这一结果与20世纪90年代用超纯水获得的实验值相差不到2%。
研究人员提出了一种气泡轨迹不稳定的机制,通过这种机制,气泡的周期性倾斜会改变其曲率,从而影响向上的速度,引起气泡轨迹的摆动,使气泡的曲率增大的一侧向上倾斜。然后,随着流体移动速度加快,流体压力在高曲率表面周围下降,压力不平衡使气泡返回到其原始位置,重新开始周期性循环。
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