Levitation trick giver træk slip

At dykke varme kugler ned i tyktflydende væsker afslører en måde at reducere væskemodstanden uden komplekse tekniske procedurer.

Den uberegnelige bølge af vanddråber omkring sydende stegepander opstår, når lag af indespærret damp får dråberne til at flyde kortvarigt. Et hold fra King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudi Arabien, har vist, at denne proces, kendt som Leidenfrost-effekten, kan bruges til betydeligt at reducere modstandskræfterne, som genstande, der bevæger sig gennem væsker, udsættes for.

En baseballs specielle sting og fordybningerne på golfbolde er ikke kun kosmetiske. Ved tilstrækkelig hastighed, disse ru teksturer forårsager, at et tyndt grænselag af luft, der strømmer hen over kuglen, opfører sig turbulent og reducerer friktionen til et niveau under glatte overflader. Denne såkaldte træk-krise lader disse bolde opnå længere og mere stabile baner.

For nylig, Siggi Thoroddsen, professor i maskinteknik, og Ivan Vakarelski fra KAUST undersøgte teknikker til at udløse træk uden at påberåbe sig krisefænomenet. De opnåede dette ved at vende sædvanlige Leidenfrost-procedurer og nedsænke varme kugler i væsker. Med tilstrækkelig fordampning, et damplag dannet, der fungerede som smøremiddel for at reducere væske-faststof-friktion. Denne tilgang gjorde det muligt for varme kugler at bevæge sig dobbelt så hurtigt som køligere kugler under eksperimenter med frit fald.

Imidlertid, både modstandskrisen og Leidenfrost-induceret levitation finder sted under et snævert område af en parameter, kendt som Reynolds nummer, som relaterer væskeviskositet og tæthed til størrelsen og hastigheden af ​​en rejsekugle. I deres seneste arbejde, Vakarelski, Thoroddsen og samarbejdspartnere i Australien brugte væsker med unikke stabiliserende egenskaber til dramatisk at udvide de forhold, hvorunder Leidenfrost-damplag mindsker modstandskræfterne.

Forskerne tabte de skoldede kugler i høje lodrette tanke indeholdende perfluorcarboner, væsker, der ofte bruges som kølemidler, der fordamper lettere end vand. Højhastighedsvideokameraer fangede fritfaldsbanerne for kugler i perfluorcarboner med vidt forskellige viskositeter for at udforske en række trækforhold. Overraskende nok, damplaget reducerede friktionen med meget mere end forventet, og gjorde det med succes for Reynolds tal, der spænder over tre størrelsesordener.

Modellering af denne proces afslørede, at Leidenfrost-effekten fik væsken, der strømmede rundt om kuglen, til at glide og tage forskellige hastigheder. Thoroddsen forklarede, at "Når vi langsomt introducerer mere slip, dette reducerer gradvist luftmodstanden. Den delvise slip bestemmes af den relative viskositet af væsken og gasmolekylerne i damplaget."

Holdet forudser, at damplag naturligt opretholdes på superhydrofobe overflader, eller induceret via bobleinjektion, kan stimulere udviklingen af ​​uventede friktionsskæringsteknikker. "Disse eksperimenter giver bare en øvre grænse for reduktion af luftmodstand - når først ingeniører ser mulighederne, den potentielle gevinst kan være stor, tilføjede Thoroddsen.