Delno potopljeni predmeti imajo večji upor, kot je bilo pričakovano – Physics World

Raziskovalci v ZDA so pri opazovanju, kako voda teče okoli delno potopljenih krogel, prišli do več nepričakovanih odkritij. Njihovi preprosti poskusi bi lahko vodili do boljšega razumevanja pretoka tekočin v bioloških sistemih – in povzročili boljše zasnove ladij in letal.

Interakcije med tekočimi tekočinami in trdnimi predmeti igrajo ključno vlogo pri številnih pojavih, od bioloških funkcij do gibanja blaga in ljudi po svetu. Te interakcije pogosto proučujemo tako, da predmet postavimo v zračni ali vodni tok in izmerimo sile nanj.

Ko je predmet delno potopljen v tekočo vodo, lahko občuti večji upor kot če je predmet popolnoma potopljen. Eden od razlogov za to je, da bo pri skromnih hitrostih toka, večjih od približno 23 cm/s, delno potopljen predmet ustvaril valove, ki razpršijo energijo – s čimer povečajo upor. Ko se hitrost toka poveča, to povzroči znane sledi, ki jih ustvarijo ladje, kar poveča upor.

V novi študiji o tem, kako voda teče mimo sfer, Robert Hunt in Daniel Harris na Univerzi Brown v ZDA in sodelavci odkrili, da so napol potopljeni predmeti izpostavljeni večjemu uporu tudi pri hitrosti toka manj kot 23 cm/s. Naredili so tudi kontraintuitivno odkritje, da imajo napol potopljene krogle z vodoodbojnim (hidrofobnim) premazom večji upor kot krogle s (hidrofilnimi) premazi, ki privlačijo vodo. To je bilo presenečenje, saj se hidrofobni premazi pogosto uporabljajo za zmanjšanje upora.

Globoko potapljanje

Ekipa je svoje poskuse izvedla tako, da je majhne krogle (premera 8–13 mm) potopila v tekočo vodo in izmerila upor. Ugotovili so, ko so krogle padle globlje v vodo, se je upor povečal in ni začel padati, dokler niso bile krogle popolnoma potopljene.

To povečanje ni nepričakovano, saj ko gre krogla globlje v vodo, predstavlja večjo površino za tok – in zato bi se moral upor povečati. Ekipo je presenetilo, da je bil upor na delno potopljenih predmetih tri ali štirikrat večji od upora, izmerjenega na popolnoma potopljenem predmetu.

»Lahko bi naivno ocenili upor, če bi rekli, da če je krogla skoraj 100 % v vodi, bo upor skoraj enak, kot če bi bila popolnoma potopljena pod gladino,« pravi Hunt. "Ugotovili smo, da je upor lahko dejansko veliko večji od tega - in ne približno 50 %, ampak bolj kot 300 % ali 400 %."

Vlek pri nizki hitrosti

Ena presenetljiva ugotovitev ekipe je, da je bilo opazno znatno povečanje upora pri hitrostih pretoka pod minimalno hitrostjo kapilarno gravitacijskega valovanja 23 cm/s. Pod to hitrostjo ni pričakovati, da bi okoli predmeta nastajali valovi – in ti valovi ponavadi povečajo upor. "To kaže na možnost drugih vlečnih mehanizmov, ki jih je treba upoštevati pri delovanju na prosti površini," je povedal Harris Svet fizike.

Ekipa je pogledala tudi, kako premazovanje površin krogel vpliva na upor. Za to so uporabili krogle, prevlečene s tremi različnimi materiali. En premaz je bil superhidrofobni material NeverWet, ki je zelo dober pri odbijanju vode. Druga prevleka je bil agar, ki je superhidrofilen material, ki privlači vodo. Tretja krogla je bila prevlečena z akrilom, ki ima srednjo afiniteto do vode.

Ekipa je ugotovila, da je superhidrofobna krogla doživela približno 50 % večji upor ravno takrat, ko so bile krogle popolnoma potopljene. Harris to pojasnjuje z uporabo preproste fizike. "V bistvu voda, ki se nabere pred predmetom, izvaja dodaten pritisk na sprednji del krogle in povzroči dodatno uporno silo," pojasnjuje Harris. To je razvidno iz zgornje slike, kjer gre tok od leve proti desni.

Je turbulentni tok kljub vsemu univerzalen?

Dodal je: »Hidrofilna krogla lažje omogoča, da voda teče čez vrh, kar zmanjša učinek kopičenja in omogoči, da se pritiski spredaj in zadaj bolj izenačijo. Hidrofobne sfere se močneje upirajo tekočini, ki teče čez vrh, in tako dlje časa ohranjajo večji nabor.” Harris pravi, da je ta ugotovitev v nasprotju z nekaterimi trenutnimi razmišljanji o tem, kako zmanjšati upor. »Superhidrofobne prevleke so pogosto razvite in predlagane za zmanjšanje upora, zato je bila ta ugotovitev sprva kontraintuitivna,« opaža Harris. "Če poskušate zmanjšati upor, ga lahko dejansko znatno povečate."

Ekipa pravi, da je presenečena, da te preproste meritve niso bile opravljene že prej. Zdaj upajo, da bodo svoje raziskave razširili na preučevanje oblik, ki so pomembne za biologijo in tehnologijo.

»Začenši od najpreprostejše točke, pogledamo, kaj je tukaj fizika, nato pa kot naslednji korak začnemo svoje znanje uporabljati za bolj realistične strukture, ne glede na to, ali gre za posnemanje biološke strukture ali ogled propulzivnih struktur, ki jih je ustvaril človek,« pravi Harris. »Zanima nas zasnova majhnih avtonomnih robotov, ki delujejo in poganjajo na ali blizu vmesnika zrak-voda. Številne obstoječe zasnove takšnih naprav so navdihnjene z biologijo, geometrične ali kinematične zasnove pa so si izposojene iz narave, na primer od vodnega tekača ali hrošča vrtinčastega.«

Raziskava je opisana Tekočine za fizični pregled.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• ChartPrime. Izboljšajte svojo igro trgovanja s ChartPrime. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/partially-submerged-objects-experience-more-drag-than-expected/