Koule držená téměř úplně pod tekoucí vodou podle výzkumu vyvolává odporové síly několikrát větší, než kdyby byla zcela ponořena.
Jeden z nejběžnějších a prakticky užitečných experimentů v celé dynamice tekutin zahrnuje držení předmětu ve vzduchu nebo jeho úplné ponoření pod vodu a vystavení konstantnímu proudění, aby se změřil jeho odpor ve formě odporu. Studie odporu proti odporu vedly k technologickému pokroku v konstrukci letadel a vozidel a dokonce pokročily v našem chápání environmentálních procesů.
Tým inženýrů dokázal shromáždit ještě více informací tím, že tento problém vynesl na povrch – hladinu vody.
Jak je uvedeno v Fyzikální revizní tekutinyvýzkumníci vytvořili v laboratoři malý kanál podobný řece a spouštěli do proudu koule vyrobené z různých vodoodpudivých materiálů, dokud nebyly téměř úplně ponořeny proudící vodou.
Výsledky experimentu ilustrují základní – a někdy i neintuitivní – mechanismy toho, jak může být odpor na částečně ponořeném předmětu několikanásobně větší než odpor na zcela ponořeném předmětu vyrobeném ze stejného materiálu.
Například vědci – vedení inženýry z Brown University Robertem Huntem a Danielem Harrisem – zjistili, že odpor koulí se zvýšil v okamžiku, kdy se dotkly vody, bez ohledu na to, jak vodoodpudivý byl materiál koule. Pokaždé se odpor zvyšoval podstatně více, než se očekávalo, a dále se zvyšoval, jak byly koule spouštěny, a začaly klesat, až když byly koule zcela pod vodou.
“Existuje přechodné období, kdy koule vstupující do vody vytvářejí největší poruchy, takže odpor je mnohem silnější, než kdybyste byli hluboko pod hladinou,” říká Harris, odborný asistent na Brown’s School of Engineering. “Věděli jsme, že odpor se zvýší, když se koule sníží, protože blokují stálejší proudění, ale co bylo překvapivé, bylo, jak moc se zvyšuje. Takže jak zatlačíte kouli hlouběji, odpor se sníží.“
Studie ukazuje, že tažné síly na částečně ponořených objektech mohou být třikrát nebo čtyřikrát větší než na zcela ponořených objektech. Největší odporové síly byly například naměřeny těsně předtím, než byla koule zcela ponořena, to znamená, že kolem ní proudí voda, ale z povrchu stále vyčnívá malá suchá skvrna.
“Mohli bychom očekávat, že množství koule, které je ve vodě, odpovídá velikosti odporu,” říká Hunt, postdoktorandský výzkumník v Harrisově laboratoři a první autor studie. „Pokud ano, pak můžete naivně aproximovat odpor tak, že pokud je koule téměř 100% ve vodě, odpor bude přibližně stejný, jako kdyby byla zcela ponořena pod povrch. Zjistili jsme, že odpor může být ve skutečnosti mnohem vyšší – ne 50 %, ale spíše 300 % nebo 400 %.
Výzkumníci také zjistili, že úroveň vodoodpudivosti koule hraje klíčovou roli v odporových silách, které zažívá. Tady jsou věci trochu kontraintuitivní.
Experiment byl proveden se třemi stejnými koulemi, až na to, že jedna byla potažena superhydrofobním materiálem, díky kterému byla velmi vodoodpudivá, zatímco ostatní byly vyrobeny ze stále méně vodoodpudivých materiálů.
Při provádění experimentů výzkumníci zjistili, že superhydrofobní povlak se setkal s větším odporem než ostatní dvě koule. Bylo to překvapení, protože očekávali opak.
“Superhydrofobní materiály jsou často navrhovány ke snížení odporu, ale v našem případě jsme zjistili, že superhydrofobní koule, když jsou téměř úplně ponořeny, mají mnohem větší odpor než koule vyrobené z jakékoli jiné vodoodpudivé látky, ” říká Hunt. “Tím, že se pokusíte snížit odpor, můžete jej podstatně zvýšit.”
Tažné síly na částečně ponořených objektech mohou být třikrát nebo čtyřikrát větší než na zcela ponořených objektech. Koule potažená superhydrofobním materiálem, díky kterému je velmi vodoodpudivá, se setkala s větším odporem než méně vodoodpudivé koule. Graf s laskavým svolením Harris Lab.
Článek vysvětluje, že pravděpodobnou příčinou je jednoduchá fyzika.
“Voda nechce mít s touto superhydrofobní koulí nic společného, takže dělá vše, co může, aby se té kouli víceméně unikla z cesty,” říká Harris. “Ale co se stane, je, že se toho před ním nahromadí hodně, takže to skončí jako vodní stěna, do které koule narazí.” Intuitivně byste si mysleli, že voda by měla procházet volněji. Fyzika se proti tomu v tomto scénáři vlastně spikla.“
Zjištění článku by jednoho dne mohla mít důsledky pro návrhy a konstrukce, které fungují na rozhraní vzduch-voda, jako jsou malá autonomní vozidla. Prozatím je samostatná fyzika tohoto základního výzkumu docela zajímavá, protože studie na částečně ponořených objektech nejsou v terénu tak dobře charakterizovány ani chápány.
„Překvapilo nás, že tato měření nikdo neprovedl,“ říká Harris. “Je to tak jednoduchý nápad, ale je zde spousta bohaté fyziky.”
Výzkumníci zvolili koule jako první trojrozměrné objekty kvůli jednoduchosti jejich geometrie. Mají pouze jednu délkovou stupnici – poloměr. Koule funguje jako výchozí bod pro redukci fyzikální mechaniky na její nejzákladnější principy před přechodem ke složitějším formám.
„Počínaje nejjednodušším bodem jsme se podívali na to, co je zde fyzika, a jako další krok jsme začali aplikovat naše znalosti na realističtější struktury, ať už jde o emulaci biologické struktury nebo pohled na uměle vytvořené pohonné struktury,“ říká. Harris.
Hunt a jeho laboratorní partner Eli Silver navrhli žlabové zařízení pro vytvoření experimentu s prouděním vody a naprogramovali motorizovaný výtah, který spouští koule do vodního kanálu. Práce začala spoluprací s Jurijem Bazilevsem, profesorem na Brown’s School of Engineering. Jeho součástí byli také vědci z University of Illinois Urbana-Champagne, kteří prováděli počítačové simulace.
Tento výzkum byl podporován Úřadem pro námořní výzkum.
Zdroj: Brown University