Исследователи коричневой гидродинамики пролили свет на то, как частично погруженные в воду объекты испытывают сопротивление

ПРОВИДЕНС, Род-Айленд [Университет Брауна] — Один из наиболее распространенных и практически полезных экспериментов во всей гидродинамике включает в себя удерживание объекта в воздухе или его полное погружение под воду, подвергание его воздействию постоянного потока для измерения его сопротивления в виде сопротивления. Исследования сопротивления лобовому сопротивлению привели к технологическому прогрессу в конструкции самолетов и транспортных средств и даже продвинули наше понимание экологических процессов.

В наши дни это гораздо сложнее. Поскольку эти классические эксперименты являются одним из наиболее тщательно изученных аспектов гидродинамики, стало трудно получить или детализировать новую информацию о простой физике сопротивления лобовому сопротивлению. Но команде инженеров под руководством ученых из Университета Брауна удалось это сделать, вынеся эту проблему на поверхность — то есть на поверхность воды.

Как описано в новой статье в журнале Physical Review Fluids, исследователи создали в лаборатории небольшой канал, похожий на реку, и опускали сферы, сделанные из различных водоотталкивающих материалов, в поток до тех пор, пока они не были почти полностью погружены в текущую воду.

Результаты эксперимента иллюстрируют фундаментальную — а иногда и противоречивую — механику того, что сопротивление частично погруженного объекта может быть в несколько раз больше, чем сопротивление полностью погруженного объекта, сделанного из того же материала.

Например, исследователи под руководством инженеров Брауна Роберта Ханта и Дэниела Харриса обнаружили, что сопротивление сфер увеличивается в тот момент, когда они касаются воды, независимо от того, насколько водоотталкивающим был материал сферы. Каждый раз сопротивление увеличивалось значительно больше, чем ожидалось, и продолжало увеличиваться по мере опускания сфер, начиная падать только тогда, когда сферы полностью оказались под водой.

«Это промежуточный период, когда сферы, погружающиеся в воду, создают самые большие возмущения, поэтому сопротивление намного сильнее, чем если бы они находились намного ниже поверхности», — сказал Харрис, доцент Инженерной школы Брауна. «Мы знали, что сопротивление будет увеличиваться по мере того, как сферы будут опускаться, потому что они больше блокируют устойчивый поток, но самым удивительным было то, насколько оно увеличилось. Затем, когда вы продолжаете толкать сферу глубже, сопротивление снова снижается».

Исследование показывает, что силы сопротивления на частично погруженных объектах могут быть в три или четыре раза больше, чем на полностью погруженных объектах. Например, самые большие силы сопротивления были измерены непосредственно перед тем, как сфера полностью погрузилась в воду. Это означает, что вода течет вокруг нее, но на поверхности все еще остается небольшое сухое пятно.

«Можно ожидать, что часть сферы, находящейся в воде, будет соответствовать величине сопротивления», — сказал Хант, научный сотрудник лаборатории Харриса и первый автор исследования. «Если это так, то вы могли бы наивно аппроксимировать сопротивление, говоря, что если сфера почти на 100% находится в воде, сопротивление будет почти таким же, как если бы она была полностью погружена под поверхность. Мы обнаружили, что сопротивление на самом деле может быть намного больше — и не 50%, а скорее 300% или 400%».

Исследователи также обнаружили, что уровень водоотталкивающих свойств сферы играет ключевую роль в силе сопротивления, которую она испытывает. Здесь все становится немного нелогичным.

Эксперимент проводился с тремя сферами, которые в остальном идентичны, за исключением того, что одна была покрыта супергидрофобным материалом, что делало ее очень водоотталкивающей, в то время как другие были сделаны из материалов, которые становятся все менее водоотталкивающими.

Проведя эксперименты, исследователи обнаружили, что супергидрофобное покрытие испытывает большее сопротивление, чем две другие сферы. Это было неожиданностью, потому что они ожидали обратного.

«Супергидрофобные материалы часто предлагаются для уменьшения сопротивления, но в нашем случае мы обнаружили, что супергидрофобные сферы, когда они почти полностью погружены в воду, имеют гораздо большее сопротивление, чем сферы, изготовленные из любого другого водоотталкивающего материала», — сказал Хант. «Пытаясь уменьшить сопротивление, вы можете на самом деле существенно его увеличить».