研究人员破解了500多年前达芬奇提出的气泡螺旋上升轨迹之谜

塞维利亚大学的Miguel Ángel Herrada教授和布里斯托尔大学的Jens G. Eggers教授发现了一种机制，解释了在水中上升的气泡的不稳定运动。这一发现发表在著名的《美国国家科学院院刊》上，可以为介于固态和气态之间的粒子的行为提供启示。

五个世纪前，达芬奇观察到气泡以"之"字形或螺旋形运动的方式偏离直线路径。然而，直到现在，这种周期性运动的原因仍然是未知的。

达芬奇在五个世纪前观察到，气泡如果足够大，会周期性地偏离直线运动的人字形或螺旋形。然而，从来没有发现对这一现象的定量描述或解释这一周期性运动的物理机制。

莱昂纳多的草图显示了一个上升的气泡的螺旋运动（来自他的手稿，称为莱斯特法典）。资料来源：塞维利亚大学

这篇新论文的作者开发了一种数值离散化技术，以精确描述气泡的空气-水界面，这使他们能够模拟其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密切相关，并显示当气泡的球面半径超过0.926毫米时，气泡在水中会偏离直线轨迹，这一结果与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，即气泡的周期性倾斜会改变其曲率，从而影响上升速度并导致气泡轨迹的摇摆，使曲率增加的那一侧气泡向上倾斜。然后，随着流体运动速度的加快，高曲率表面周围的流体压力下降，压力的不平衡使气泡回到原来的位置，重新开始周期性循环。