讓達芬奇困惑不已的水躍現象

15世紀，萊昂納多·達芬奇想靜靜的時候，常常在戶外找一處溪流，看著下游的漩渦陷入沉思之中。

文藝復興時期的大師為一種現象驚訝不已，後世無數科學家也困惑不解。半個世紀之後，我們仍在為這個叫做水躍的東西撓頭。現在，劍橋大學的物理學家可能最終解決了這個問題。

嚇人的術語——水躍，描述的卻是異常熟悉的現象，以至於我們完全沒有意識到它的不同尋常。

只要打開水龍頭，觀察水槽的底部，就能發現以水流衝擊的位置為圓心，有一圈的區域似乎只有薄薄的一層水，就好像下方的水都被落下來的激流沖走。同時在這一圈的邊緣處，液面明顯變高——這就是水躍的含義——但是它們沒法涌過去，填滿中央的凹陷。如下圖

類似的現象也可以在堰、瀑布和潮汐洞穴的底部被觀察到。

500年前，達芬奇將它記錄到筆記中，不過主要是出於哲學上的思考，他認為這是水元素的本質體現，因此也沒有做更多的解釋。

在接下來的幾個世紀中，18世紀的義大利物理學家Giovanni Battista Guglielmini和19世紀義大利數學家George Bidone為描述這一現象添加了很多數學細節。儘管如此，他們並沒有找到水躍現象的真正原因。

最後，在1914年，一位名叫John William的物理學家在一篇關於鑽孔和液體衝擊波的論文中提出了一個猜想。這位William是英國皇家學會的會長，19世紀末年達到經典物理學顛峰的少數學者之一——世襲男爵，他時不時要糾正別人對他的稱呼：「請叫我瑞利勛爵，謝謝。」

他的理論考慮了粘度、動能和勢能等因素。

另一方面，表面張力「無疑是相當重要的一部分，但是在這裡可以通過增加流量來使其影響最小化」。

瑞利勛爵以後的研究人員也將表面張力視為微不足道的影響因素，得到的模型可以使用已知的參數，如粘度、慣性和重力的組合來描述衝擊而下的液體的形成的圈半徑與圈邊緣高度之間的聯繫。

當水沿著表面流動時，摩擦力克服其慣性並使流體減速。如果水流像是瀑布那樣沖刷而下，則會產生衝擊波，液體在短距離外堆積成高出中心位置的水牆。

邊緣處水牆的高度取決於衝擊水量的大小所能平衡的勢能。

當然，這一模型並不完美；多年來，人們一直對這一過程中引力所起的作用爭論不休。

在一項新的研究中，化學工程研究員Rajesh Bhagat認為，以前的科學家為了方便將表面張力剔除在模型之外，有點急功近利了。

「我們可以證明，水在邊緣處升高時，表面張力和粘性力平衡了液膜中的動量，重力沒有起到重要作用。」Bhagat和他的團隊在報告中寫道。

如果重力的影響微不足道，而表面張力才是關鍵，那麼以後可以更加方便地操縱這一現象，例如像水體中添加表面活性劑。

「我們的研究非常有意義，可以大大減少工業用水。」Bhagat說，「人們可以在這一理論的指導下，發明出清潔汽車或工廠設備的全新技術。」

很難說，瑞利勛爵是否會同意他們的意見。但是我們猜想，達芬奇如果知道了最新的進展，應該會為更加接近水的本質而感到高興吧。

該研究發表在《流體力學》上。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

隨意吐個槽，這裡水躍是hydraulic jump的標準術語翻譯。但是感覺似乎這裡的jump應該採納『激增』這層意思——因為高流速的超臨界流進入低流速的亞臨界流中，流體的速度突然變慢，流體部分的動能被紊流消散，部份動能則轉換為位能，水的分布在某個界限處突然水量增加，在水龍頭和水槽的觀察效果下就是有一圈水牆，從平面坐標考慮，分布在那裡的水量激增。

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