Парадокс Леонардо да Винчи. Как физики объяснили уникальное явление, впервые замеченное 500 лет назад
Научпоп22 января 2023, 13:57
Будучи одним из величайших ученых и художников эпохи Возрождения, Леонардо да Винчи сильно опередил свое время и создал концепты изобретений, появившихся через сотни лет после его смерти.
Кроме самых известных произведений искусства, да Винчи приписывают разработку летательных аппаратов, автомобилей, парашютов, разных видов оружия
Некоторые исследователи также полагают, что да Винчи первым сформулировал закон сохранения массы для движения жидкостей, описывая течение реки.
Наблюдая за жидкостями в емкостях, однажды изобретатель также заметил, что разные пузырки могут принимать спиралеобразные формы, поднимаясь к поверхности. Позже это назовут «парадоксом Леонардо».
На днях физики Бристольского и Севильского университетов опубликовали результаты работы, которую они посвятили этому парадоксу. Объяснение оказалось гораздо проще, чем вы могли бы предположить.
Подпишитесь на NV Премиум и читайте без ограничений
Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой
Парадокс пузырьков
«Более 500 лет назад Леонардо да Винчи наблюдал, как пузырьки воздуха всплывают в воде. Он заметил, что некоторые пузырьки необъяснимым образом начали двигаться по спирали или зигзагом вместо того, чтобы подниматься прямо к поверхности воды», 一 так формулируют парадокс Леонардо авторы американского научно-популярного журнала Vice Motherboard.
Соответствуюющий набросок, который визуализирует этот парадокс, Да Винчи сделал в своем Лестерском кодексе.
До наших дней никто из ученых не предлагал каких-либо объяснений этому феномену, из-за чего парадокс заинтересовал исследователей гидродинамики из Испании и Великобритании.
Авторы работы 一 Мигель Эррада и Йенс Эггерс 一 разработали несколько новых моделей, с помощью которым им удалось выполнить самые точные измерения этого эффекта.
После серии наблюдений ученые пришли к выводу о том, что пузырьки в воде формируют зигзаги и спирали в зависимости от их размера. Если диаметр пузырька превышает 0,926 миллиметра 一 он скорее всего будет двигаться к поверхности по спиральной траектории, а если меньше 一 поднимется наверх по прямой.
«Движение пузырьков в воде играет центральную роль в широком спектре природных явлений, от химической промышленности до окружающей среды. Плавучий подъем одиночного пузыря является хорошо изученной парадигмой как экспериментально, так и теоретически», — пишут исследователи.
Несмотря на широкое распространение этого эффекта и доступ к огромным вычислительным мощностям сегодня, ранее ученым не удавалось согласовать свои эксперименты с численным моделированием уравнений гидродинамики деформации воздушного пузыря в воде.
На форму пузырьков воздуха в воде также могут влияют вязкость жидкости, поверхностное натяжение и другие факторы. В частности поэтому этот феномен тяжело исследовать экспериментально.
В своей работе Эррада и Эггерс использовали уравнения Навье-Стокса, которые также считают математической основой для описания движения вязких жидкостей. Моделируя сложное взаимодействие между пузырьками воздуха и их водной средой ученые и пришли к точному сферический величине в 0,926 миллиметра, которая определяет форму движения пузырьков.
Иными словами, пузырь большего размера теряет стабильность из-за дисбаланса давления и деформации его изогнутой формы. Впоследствии он наклоняется в одну из сторон, двигаясь к поверхности зигзагом или по спирали.
«Ранее было известно, что след пузыря становится нестабильным, но теперь мы демонстрируем новый механизм, основанный на взаимодействии между потоком и деформацией пузыря. Это открывает двери для изучения мельчайших изменений в большинстве практических условий, которые имитируют частицы между твердым газообразным состоянием», 一 заявили исследователи.
Новости робота Да Винчи
Кроме научных феноменов, описанных да Винчи сотни лет назад, исследования флорентийского ученого в области анатомии человека также привели к созданию первого известного робота в истории.
Чертежи технологии человекоподобного механизма обнаружили только в XX веке, и до сих пор неизвестно, была ли реализована эта разработка на практике.
Однако, в начале 2000-х американский стартап представил полноценный медицинский робот, названный в честь да Винчи, который сегодня используется для проведения сложных хирургических операций в разных странах.
Роботизированная хирургическая система Да Винчи — это продукт компании Intuitive Surgical для выполнения операций разной сложности, включая восстановление сердечного клапана, почечные и гинекологические процедуры, удаление грыж и опухолей, лечение желудочно-кишечного тракта
Система включает несколько роботизированных рук со скальпелями, ножницами, захватами и 3D-камерами, которые использует хирург-оператор с помощью интерактивной консоли.
Стоимость этой установки составляет около двух миллионов долларов, и ее также критикуют за невозможность модификации операционной системы, сложность в обучении
Тем не менее, систему Да Винчи продолжают внедрять в разных больницах США по сей день. А медики, которые ее использовали, говорят, что она способствует более быстрому заживлению ран и меньшей зависимости пациента от обезболивающих.
В начале 2021-го сообщалось о том, что робот-хирург Da Vinci впервые прооперировал ребенка во Львовской клинической больнице скорой медицинской помощи: пациенткой стала 13-летняя девочка с патологией кишечника.
С помощью небольших разрезов в брюшную полость поместили камеру, которая транслировала на монитор изображения в трехмерной проекции с 20-кратным увеличением.
«Это все равно, что заглянуть внутрь пациента, не разрезая его. Хирург, который сидел за пультом, положив руки на сверхчувствительные сенсоры, имел дополнительно еще две „руки“ и ликвидировал множественные спайки с минимальной травматизацией здоровых тканей», — говорил директор больницы Олег Самчук.