Парадокс Леонардо да Вінчі. Як фізики пояснили унікальне явище, вперше помічене 500 років тому

Парадокс бульбашок

«Понад 500 років тому Леонардо да Вінчі спостерігав, як бульбашки повітря спливають у воді. Він зауважив, що деякі бульбашки незрозумілим чином почали рухатися спіраллю або зигзагом замість того, щоб підніматися прямо до поверхні води», — так формулюють парадокс Леонардо автори американського науково-популярного журналу Vice Motherboard.

Відповідний малюнок, який візуалізує цей феномен, Да Вінчі зробив у своєму Лестерському кодексі.

До наших днів ніхто з учених не пропонував жодних пояснень цьому феномену, через що парадокс зацікавив дослідників гідродинаміки з Іспанії та Великобританії.

Автори роботи — Мігель Еррада і Єнс Еггерс — розробили кілька нових моделей, за допомогою яких їм вдалося виконати найточніші виміри цього ефекту.

Після серії спостережень вчені дійшли висновку про те, що бульбашки у воді формують зигзаги та спіралі залежно від їхнього розміру. Якщо діаметр бульбашки перевищує 0,926 міліметра — він, імовірно, рухатиметься до поверхні по спіральній траєкторії, а якщо менший — підніметься вгору по прямій.

«Рух бульбашок у воді відіграє центральну роль у широкому спектрі природних явищ, від хімічної промисловості до довкілля. Плавучий підйом одиночної бульбашки є добре вивченою парадигмою як експериментально, так і теоретично», — пишуть дослідники.

Незважаючи на широке поширення цього ефекту та доступ до величезних обчислювальних потужностей сьогодні, раніше вченим не вдавалося узгодити свої експерименти з чисельним моделюванням рівнянь гідродинаміки деформації повітряної бульбашки у воді.

На форму бульбашок повітря у воді також можуть впливати в’язкість рідини, поверхневий натяг та інші фактори. Зокрема, тому цей феномен важко дослідити експериментально.

У своїй роботі Еррада та Еггерс використовували рівняння Нав'є-Стокса, які також вважають математичною основою для опису руху в’язких рідин. Моделюючи складну взаємодію між бульбашками повітря та їх водним середовищем вчені і прийшли до точного сферичного розміру в 0,926 міліметра, що визначає форму руху бульбашок.

Іншими словами, бульбашка більшого розміру втрачає стабільність через дисбаланс тиску та деформацію його вигнутої форми. Згодом вона нахиляється в одну зі сторін, рухаючись до поверхні зигзагом або спіраллю.

Раніше було відомо, що слід бульбашки стає нестабільним, але тепер ми демонструємо новий механізм, заснований на взаємодії між потоком і деформацією бульбашки. Це відкриває двері для вивчення дрібних змін у більшості практичних умов, які імітують частки між твердим газоподібним станом", — заявили дослідники.

Новини робота Да Вінчі

Крім наукових феноменів, описаних да Вінчі сотні років тому, дослідження флорентійського вченого в галузі анатомії людини також привели до створення першого відомого робота в історії.

Креслення технології людиноподібного механізму виявили лише у XX столітті, і досі невідомо, чи було реалізовано цю розробку практично.

Проте, на початку 2000-х американський стартап представив повноцінний медичний робот, названий на честь да Вінчі, який сьогодні використовується для проведення складних хірургічних операцій у різних країнах.

Роботизована хірургічна система Да Вінчі — це продукт компанії Intuitive Surgical для виконання операцій різної складності, зокрема відновлення серцевого клапана, ниркові та гінекологічні процедури, видалення гриж і пухлин, лікування шлунково-кишкового тракту тощо.

Система включає кілька роботизованих рук зі скальпелями, ножицями, захватами та 3D-камерами, які використовує хірург-оператор за допомогою інтерактивної консолі.

Вартість цієї установки становить близько двох мільйонів доларів, і її також критикують за неможливість модифікації операційної системи, складність навчання тощо.

Проте систему Да Вінчі продовжують впроваджувати у різних лікарнях США досі. А медики, які її використовували, кажуть, що вона сприяє швидшому загоєнню ран і меншій залежності пацієнта від знеболювальних.

На початку 2021-го повідомлялося про те, що робот-хірург Da Vinci вперше прооперував дитину у Львівській клінічній лікарні швидкої медичної допомоги: пацієнткою стала 13-річна дівчинка з патологією кишечника.

За допомогою невеликих розрізів у черевну порожнину помістили камеру, яка транслювала на монітор зображення тривимірної проекції з 20-кратним збільшенням.

«Це все одно, що зазирнути всередину пацієнта, не розрізаючи його. Хірург, який сидів за пультом, поклавши руки на надчутливі сенсори, мав додатково ще дві „руки“ і ліквідував множинні спайки з мінімальною травматизацією здорових тканин», — казав директор лікарні Олег Самчук.