לפני יותר מ-500 שנה, איש האשכולות לאונרדו דה וינצ'י צפה בבועות אוויר זזות במים - כפי שכנראה כל אחד מגדולי אמני הרנסאנס היה עושה בזמנו - ושם לב שבמקום לעלות ישר אל פני המים, מספר בועות התחילו באופן בלתי מוסבר לזגזג ימינה ושמאלה. קחו כוס, מלאו בסודה ותראו גם אתם את תנועת הבועות. בדיוק על זה אנחנו מדברים.
מאחר שכנראה לאף אחד לא ממש היה דחוף לבדוק כיצד ומדוע הבועות זזות להן במים, מאות שנים אף אחד לא הצליח לספק הסבר מספק לסטייה הזאת בתנועת הבועות במים שכונתה מאז "הפרדוקס של לאונרדו". ועדיין, כנראה שלמישהו כן היה אכפת, כי כעת זוג מדענים בטוחים שמצאו פתרון לתעלומה ארוכת השנים הזאת. הם עשו זאת בעזרת פיתוח סימולציות חדשות התואמות למדידות ברמת דיוק גבוהה של בועות, על פי מחקר שפורסם ב-Proceedings of the National Academy of Sciences.
התוצאות שלהם מצביעות על כך שבועות יכולות להגיע לרדיוס מסוים שדוחף אותן לנתיבים חדשים ולא יציבים עקב אינטראקציות בין זרימת המים סביבן לבין העיוותים העדינים של צורותיהן. "תנועת הבועות במים ממלאת תפקיד מרכזי עבור מגוון רחב של תופעות טבע, מהתעשייה הכימית ועד הסביבה שלנו", אמרו המחברים מיגל הראדה וג'נס אגרס, חוקרי פיסיקה נוזלית באוניברסיטת סביג'ה ובאוניברסיטת בריסטול בהתאמה. "העלייה הנמרצת של בועה בודדת משמשת כפרדיגמה שנחקרה רבות, הן מבחינה ניסיונית והן מבחינה תיאורטית".
הם הוסיפו: "עם זאת, למרות המאמצים הללו ולמרות הזמינות המוכנה של כוח מחשוב עצום, לא ניתן היה ליישב ניסויים עם הדמיות מספריות של המשוואות ההידרודינמיות המלאות עבור בועת אוויר הניתנת לעיוות במים. זה נכון במיוחד לתצפית המסקרנת שעשה אז לאונרדו דה וינצ'י, לפיה בועות אוויר גדולות מספיק מבצעות תנועה מחזורית במקום לעלות לפני המים לאורך קו ישר".
אכן, בועות הן דבר כל כך נפוץ בחיי היומיום שלנו, עד שקל לשכוח שהן מורכבות דינמית ולעתים קרובות מורכבות גם למחקר ניסיוני. בועות אוויר עולות במים מושפעות ממגוון כוחות מצטלבים - כמו צמיגות הנוזל, חיכוך פני השטח וכל המזהמים שמסביב - המעוותים את צורות הבועות ומשנים את הדינמיקה של המים הזורמים סביבן. מה שדה וינצ'י ציין ומדענים אחרים אישרו מאז, הוא שבועות אוויר בעלות רדיוס כדורי הקטן בהרבה ממילימטר נוטות לעלות בדרך הישרה כלפי מעלה דרך המים, בעוד שבועות גדולות יותר מפתחות נדנוד שגורם לספירלה מחזורית או למסלולי זיגזג.
הראדה ואגרס השתמשו במשוואות Navier-Stokes, שהן מסגרת מתמטית לתיאור התנועה של נוזלים, כדי לדמות את המשחק המורכב בין בועות האוויר למדיום המימי שלהן. הצוות הצליח לאתר את הרדיוס הכדורי שמפעיל את ההטיה הזו - 0.926 מילימטרים, שהם בערך בגודל של קצה עיפרון - ולתאר את המנגנון האפשרי מאחורי התנועה המפותלת.
בועה שחרגה מהרדיוס הקריטי הופכת לבלתי יציבה יותר ויוצרת הטיה שמשנה את העקמומיות של הבועה. השינוי בעקמומיות מגביר את מהירות המים סביב פני הבועה, מה שמניע את תנועת הנדנוד. אז הבועה חוזרת למקומה המקורי עקב חוסר איזון הלחץ שנוצר מהדפורמציות בצורתה המעוקלת, וחוזרת על התהליך במחזוריות תקופתית.
למי שלא הבין, הנה עוד דרך להסביר את זה:
עוד תעלומות שנפתרו
תעלומת הרצח הגדולה ביותר של אוסטרליה נפתרה אחרי 74 שנים
נפתרה התעלומה: זו הסיבה שמוטציות של כרישים אלימים חיים בתוך הרי געש מתפרצים
בנוסף לפתרון פרדוקס בן 500 שנה, המחקר החדש יכול לשפוך אור על שורה של שאלות אחרות הנוגעות להתנהגותן של בועות. "כיום אנו מדגימים מנגנון חדש, המבוסס על יחסי הגומלין בין זרימה ועיוות בועה", סיכמו הראדה ואגרס במחקר. "זה פותח את הדלת למחקר של זיהומים קטנים, הקיימים ברוב המסגרות הפרקטיות".