부분적으로 물에 잠긴 물체는 예상보다 더 많은 항력을 경험합니다 – Physics World

부분적으로 물에 잠긴 물체는 예상보다 더 많은 항력을 경험합니다 – Physics World

타임 스탬프 : 28 년 2023 월 10 일 오전 00:XNUMX

구를 드래그하세요.
쌓임: 이 이미지는 부분적으로 물에 잠긴 구를 지나 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 물을 보여줍니다. 구의 바로 왼쪽에 물이 쌓여 있는 것이 명확하게 보입니다. (제공: 해리스 연구소)

미국의 연구자들은 부분적으로 물에 잠긴 구체 주위로 물이 어떻게 흐르는지 관찰하면서 몇 가지 예상치 못한 발견을 했습니다. 그들의 간단한 실험은 생물학적 시스템의 유체 흐름에 대한 더 나은 이해로 이어질 수 있으며 선박과 항공기의 더 나은 설계로 이어질 수 있습니다.

흐르는 유체와 고체 물체 사이의 상호 작용은 생물학적 기능부터 전 세계 상품과 사람의 이동에 이르기까지 광범위한 현상에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 상호 작용은 종종 공기나 물의 흐름에 물체를 놓고 물체에 가해지는 힘을 측정하여 연구됩니다.

물체가 흐르는 물에 부분적으로 잠기면 물체가 완전히 잠겼을 때보다 더 큰 항력을 경험할 수 있습니다. 그 이유 중 하나는 약 23cm/s보다 빠른 유속에서 반쯤 잠긴 물체가 에너지를 소산하는 파동을 생성하여 항력을 증가시키기 때문입니다. 유속이 증가함에 따라 선박에 의해 생성되는 익숙한 항류가 발생하여 항력이 증가합니다.

물이 어떻게 구체를 지나 흐르는지에 대한 새로운 연구에서, 로버트 헌트와 다니엘 해리스 미국 브라운 대학교 연구진은 반쯤 잠긴 물체가 23cm/s 미만의 유속에서도 더 큰 끌림을 받는다는 사실을 발견했습니다. 그들은 또한 발수성(소수성) 코팅이 된 반쯤 잠긴 구체가 물을 끌어당기는(친수성) 코팅이 된 구체보다 더 큰 항력을 경험한다는 반직관적인 발견을 했습니다. 항력을 줄이기 위해 소수성 코팅이 자주 사용되기 때문에 이는 놀라운 일이었습니다.

깊은 담그기

연구팀은 작은 구체(직경 8~13mm)를 흐르는 물에 담그고 항력을 측정하는 방식으로 실험을 수행했습니다. 그들은 구체가 물 속으로 더 깊이 떨어지면 항력이 증가하고 구체가 완전히 물에 잠길 때까지 떨어지기 시작하지 않는다는 것을 발견했습니다.

구가 물 속에서 더 깊어질수록 흐름에 더 큰 표면적이 제공되므로 항력이 증가해야 하기 때문에 이러한 증가는 예상치 못한 것이 아닙니다. 팀을 놀라게 한 것은 부분적으로 물에 잠긴 물체의 항력이 완전히 물에 잠긴 물체에서 측정한 것보다 XNUMX~XNUMX배 더 컸다는 것입니다.

Hunt는 "구체가 물 속에 거의 100% 잠겨 있다면 항력은 마치 표면 아래에 완전히 잠겨 있는 것과 거의 같을 것이라고 말함으로써 항력을 순진하게 근사할 수 있습니다."라고 말합니다. "우리가 발견한 것은 항력이 실제로 그보다 훨씬 더 클 수 있다는 것입니다. 50%는 아니고 300% 또는 400%에 가깝습니다."

저속 드래그

연구팀의 놀라운 관찰 중 하나는 최소 모세관 중력파 속도 23cm/s 미만의 유속에서 상당한 항력 향상이 관찰되었다는 것입니다. 이 속도 이하에서는 물체 주위에 파도가 생성될 것으로 예상되지 않으며 이러한 파도는 항력을 증가시키는 경향이 있습니다. "이것은 자유 표면에서 작동할 때 고려해야 할 다른 항력 메커니즘의 가능성을 가리킨다"고 Harris는 말했습니다. 물리 세계.

또한 팀은 구 표면 코팅이 항력에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 이를 위해 그들은 세 가지 다른 재료로 코팅된 구체를 사용했습니다. 코팅 중 하나는 물을 튕겨내는 데 매우 뛰어난 초소수성 소재인 NeverWet이었습니다. 또 다른 코팅은 물을 끌어당기는 초친수성 물질인 한천이었습니다. 세 번째 구체는 물에 대해 중간 정도의 친화력을 갖는 아크릴로 코팅되었습니다.

연구팀은 초소수성 구체가 완전히 물에 잠길 때 약 50% 더 많은 항력을 경험한다는 것을 발견했습니다. Harris는 간단한 물리학을 사용하여 이를 설명합니다. "기본적으로 물체 앞에 쌓인 물은 구의 전면에 추가적인 압력을 가하고 추가적인 항력을 발생시킵니다."라고 Harris는 설명합니다. 위의 그림에서 흐름이 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 것을 볼 수 있습니다.

그는 “친수성 구체는 물이 위쪽으로 더 쉽게 흐르도록 하여 쌓이는 현상을 최소화하고 앞면과 뒷면의 압력을 보다 균등하게 만들어준다”고 덧붙였다. 소수성 구체는 상단 위로 흐르는 유체에 더 강하게 저항하므로 더 오랫동안 더 큰 더미를 유지합니다.” Harris는 이 발견이 항력을 줄이는 방법에 대한 현재의 생각과 반대되는 것이라고 말합니다. Harris는 “초소수성 코팅은 항력 감소를 위해 개발 및 제안되는 경우가 많으므로 이 발견은 처음에는 반직관적이었습니다.”라고 말했습니다. "항력을 줄이려고 하면 실제로는 상당히 증가할 수도 있습니다."

연구팀은 이러한 간단한 측정이 이전에 수행되지 않았다는 사실에 놀랐다고 말합니다. 이제 그들은 생물학 및 기술과 관련된 형태를 연구하기 위해 연구를 확장하기를 희망합니다.

Harris는 "가장 단순한 지점부터 시작하여 물리학이 무엇인지 살펴보고 다음 단계로 생물학적 구조를 모방하든 인공 추진 구조를 살펴보는 등 보다 현실적인 구조에 우리의 지식을 적용하기 시작합니다"라고 말합니다. “우리는 공기와 물의 경계면이나 그 근처에서 작동하고 추진하는 소규모 자율 로봇의 설계에 관심이 있습니다. 그러한 장치의 기존 디자인 중 다수는 소금쟁이나 물매개비처럼 자연에서 기하학적 또는 운동학적 디자인을 빌려 생체 영감을 받은 것입니다.”

연구 내용이 설명되어 있습니다. 물리적 검토 유체.

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