Ett populärt vetenskapsexperiment på bakgården ledde ett team av vätskedynamikexperter till en ny matematisk formel som mer exakt förutsäger kavitation och dess skadliga effekter.

En vanlig boven i skadade vattenledningar och fartygspropellrar, kavitation är bildning och kollaps av gasbubblor som bildas i vätskor. Kavitation kan också förekomma inuti en långhalsad glasflaska. Slå i toppen av en vätskefylld flaska, till exempel, kan krossa dess botten, lämnar vetenskapsmän törstiga efter svar.

Nu eliminerar forskare mysteriet med accelerationsinducerad kavitation med en nypublicerad studie och matematisk ekvation som bevisar att acceleration av en vätska kan orsaka kavitation. Deras resultat publicerades den 24 juli i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Om du söker efter svar bakom tricket med att knäcka flaskor, du får en mängd olika teorier, " sa Dr Tadd Truscott, en docent i maskinteknik vid Utah State University och ledande forskare vid skolans Splash Lab. "Vissa hävdar att din hand tvingar in luft i flaskan som trycksätter den och försluter den, tvingar botten att blåsa ut. Så är inte fallet."

Truscott säger att energi från en impulskraft på flaskan överförs till vätskan och orsakar ett fall i dess statiska tryck. När trycket sjunker, en vätska kan koka vid en mycket lägre temperatur, ger upphov till ångbubblor som bildas inuti flaskan. När de inre trycken utjämnas, kavitationsbubblorna kollapsar i små men våldsamma chockvågor. "Att kunna förutsäga uppkomsten av kavitation skulle vara extremt värdefullt i många tillämpningar, ", tillade Truscott. "Kavitation från vätskeacceleration sker i underjordiska rör och ventiler, marina propellrar; även vissa hjärnskador är resultatet av accelerationsinducerad kavitation."

Men den traditionella kavitationsformeln som använts i decennier i fysikklassrum förutsäger ofta felaktigt uppkomsten av kavitation i vätskor som accelereras under en mycket kort tidsperiod.

"Den traditionella formeln skulle berätta för oss att kavitation inte kommer att hända genom att slå handflatan mot toppen av en flaska, ", tillade Truscott. "Men erfarenheten säger oss annat. Flaskan kommer vanligtvis att splittras, och nu har vi fotografiska bevis på kavitationsbubblor som bildas nära botten av flaskan och deras efterföljande kollaps och stötvågor. Detta talar om för oss att det konventionella kavitationsnumret inte alltid fungerar korrekt."

Truscott och hans team - bestående av forskare vid USU, Tokyo University of Agriculture and Technology och Brigham Young University - har tagit fram en ny ekvation som tar hänsyn till en vätskas djup och dess acceleration. Forskare i Japan och Utah genomförde liknande kavitationsexperiment och fick identiska resultat. Gruppen säger att deras nya ekvation korrekt definierar fysiken för kavitationsuppkomst.