Obiectele parțial scufundate experimentează mai multă rezistență decât se aștepta – Physics World

Obiectele parțial scufundate experimentează mai multă rezistență decât se aștepta – Physics World

Marca temporală: 28 august 2023 10:00

Trageți pe o sferă
Îngrămădirea: această imagine arată apa care curge de la stânga la dreapta pe lângă o sferă parțial scufundată. O grămadă de apă se vede clar în imediata stânga a sferei. (Cu amabilitatea: Harris Lab)

Cercetătorii din SUA au făcut câteva descoperiri neașteptate când au observat cum curge apa în jurul sferelor parțial scufundate. Experimentele lor simple ar putea duce la o mai bună înțelegere a fluxului de fluid în sistemele biologice - și ar putea duce la proiecte mai bune de nave și aeronave.

Interacțiunile dintre fluidele curgătoare și obiectele solide joacă un rol crucial într-o gamă largă de fenomene, de la funcții biologice până la mișcarea mărfurilor și a oamenilor în întreaga lume. Aceste interacțiuni sunt adesea studiate prin plasarea unui obiect într-un flux de aer sau apă și măsurarea forțelor asupra acestuia.

Când un obiect este scufundat parțial în apă curgătoare, poate experimenta o rezistență mai mare decât dacă acel obiect este complet scufundat. Un motiv pentru aceasta este că, la viteze de curgere modeste mai mari de aproximativ 23 cm/s, un obiect semi scufundat va crea un val de valuri care disipă energia – prin urmare, crește rezistența. Pe măsură ce viteza de curgere crește, acest lucru are ca rezultat traseele familiare create de nave, care cresc rezistența.

Într-un nou studiu despre modul în care apa curge pe lângă sfere, Robert Hunt și Daniel Harris de la Universitatea Brown din SUA și colegii săi au descoperit că obiectele semi scufundate sunt supuse unei rezistențe mai mari chiar și la viteze de curgere mai mici de 23 cm/s. Ei au făcut, de asemenea, descoperirea contraintuitivă că sferele semi-scufundate cu o acoperire hidrofugă (hidrofobă) experimentează o rezistență mai mare decât sferele cu acoperiri care atrag apă (hidrofile). Acest lucru a fost o surpriză, deoarece acoperirile hidrofobe sunt adesea folosite pentru a reduce rezistența.

Scufundare adâncă

Echipa și-a făcut experimentele scufundând sfere mici (8-13 mm diametru) în apă curgătoare și măsurând rezistența. Ei au descoperit pe măsură ce sferele au căzut mai adânc în apă, rezistența a crescut și nu a început să cadă până când sferele au fost complet scufundate.

Această creștere nu este neașteptată, deoarece pe măsură ce o sferă pătrunde mai adânc în apă, prezintă o suprafață mai mare fluxului - și, prin urmare, rezistența ar trebui să crească. Ceea ce a surprins echipa a fost că rezistența pe obiecte parțial scufundate a fost de trei sau patru ori mai mare decât cea măsurată pe un obiect complet scufundat.

„S-ar putea să aproximați în mod naiv rezistența, spunând că, dacă sfera este aproape 100% în apă, rezistența va fi aproape aceeași ca și cum ar fi fost complet scufundată sub suprafață”, spune Hunt. „Ceea ce am descoperit este că rezistența poate fi de fapt mult mai mare decât atât – și nu ca 50%, ci mai mult ca 300% sau 400%.”

Drag cu viteză mică

O observație surprinzătoare făcută de echipă este că a fost observată o creștere semnificativă a rezistenței la viteze de curgere sub viteza minimă a undei de gravitație capilară de 23 cm/s. Sub această viteză, nu se așteaptă să se creeze valuri în jurul obiectului – iar aceste unde tind să mărească rezistența. „Acest lucru indică posibilitatea altor mecanisme de tracțiune care ar trebui luate în considerare atunci când funcționează pe o suprafață liberă”, a spus Harris. Lumea fizicii.

Echipa a analizat, de asemenea, modul în care acoperirea suprafețelor sferelor a afectat rezistența. Pentru a face acest lucru, au folosit sfere acoperite cu trei materiale diferite. O acoperire a fost materialul superhidrofob NeverWet, care este foarte bun la respingerea apei. O altă acoperire a fost agar, care este un material superhidrofil care atrage apa. A treia sferă a fost acoperită cu un acrilic care are o afinitate medie pentru apă.

Echipa a descoperit că sfera superhidrofobă a experimentat cu aproximativ 50% mai multă rezistență, exact când sferele erau complet scufundate. Harris explică acest lucru folosind o fizică simplă. „În esență, apa care se adună în fața obiectului exercită o presiune suplimentară pe partea din față a sferei și duce la o forță suplimentară de tracțiune”, explică Harris. Acest lucru poate fi văzut în figura de mai sus, în care fluxul merge de la stânga la dreapta.

El adaugă: „O sferă hidrofilă permite mai ușor apei să curgă peste partea de sus, minimizând efectul de acumulare și lăsând presiunile din față și din spate să devină mai egalate. O sferă hidrofobă rezistă mai puternic fluidului care curge deasupra și menține astfel o acumulare mai mare pentru mai mult timp.” Harris spune că această constatare este contrară unor gânduri curente despre cum să reduceți rezistența. „Acoperirile superhidrofobe sunt adesea dezvoltate și propuse pentru reducerea rezistenței și, prin urmare, această constatare a fost inițial contra-intuitivă”, observă Harris. „Încercând să reduceți rezistența, ați putea să o creșteți substanțial.”

Echipa spune că este surprinsă că aceste măsurători simple nu fuseseră deja făcute înainte. Acum, ei speră să-și extindă cercetările pentru a studia forme care sunt relevante pentru biologie și tehnologie.

„Pornind de la cel mai simplu punct, ne uităm la care este fizica aici și apoi, ca pas următor, începem să ne aplicăm cunoștințele la structuri mai realiste, fie că este vorba de emularea unei structuri biologice sau de structurile propulsive create de om”, spune Harris. „Suntem interesați de proiectarea roboților autonomi la scară mică care operează și propulsează la sau în apropierea unei interfețe aer-apă. Multe dintre modelele existente ale unor astfel de dispozitive sunt bioinspirate, împrumutând modele geometrice sau cinematice de la natură, cum ar fi de la păsarea apei sau gândacul vârtej.”

Este descrisă cercetarea Fluide de revizuire fizică.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii