Hydrodynamiske forskere demonstrerer objekter, der synker i vand uden nulstand

Vand vil let stoppe en kugle, men det kan ikke stoppe en bold synke i en boble.

Dette er det bemærkelsesværdige resultat fra en række forsøg, der for første gang har vist objekter, der synker i vand med tæt på nul træk, endelig beviser en teori fra det 18. århundrede i fysik.

Svømmere oplever det, fisk har udviklet deres slanke former for at minimere det, skibe bremses af det, og ubåde bruger store mængder energi til at besejre den. Træk bremser alt i vand, og fjernelse af det er væskemekanikkens hellige gral.

Forbedringer på kun 5 eller 10 procent trækreduktion kan have stor indflydelse på brændstofeffektivitet og hastighed, men hvad nu hvis du reducerer træk med 1000 procent?

Et team af forskere fra University of Melbourne, Venlig Abdullah University of Science and Technology Saudi -Arabien, og Institute of High Performance Computing i Singapore har revnet det. Deres resultater offentliggøres i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

Forsøget ser enkelt ud. Smid en 2 centimeter bred metalbold i en dyb pool. Bolden danner en stor gasboble i form af en langstrakt dråbe omkring sig selv og derefter synker bolden-plus-boblen sammen. Lav regnestykket, og det viser sig, at denne bold oplever ti gange mindre træk end en fast genstand med samme form.

Det ser enkelt ud, men det er det ikke. Dette eksperiment kræver et helt særligt sæt betingelser, og teamet har brugt år på at forstå sit teoretiske grundlag.

Det starter med bolden, eller for at være specifik, to bolde.

"Der er to måder, vi kan skabe disse gaslag på, "siger professor Derek Chan, en matematiker fra University of Melbourne, og en af ​​studielederne.

"Den første er at opvarme en metalkugle til en meget høj temperatur, og den anden er at anvende en superhydrofob overflade.

"For det første, vi opvarmer bolden til 400 grader Celsius, og vi opvarmer vandet til 95 grader Celsius - lige under dets kogepunkt.

"Når bolden rammer vandet, koger den en lille mængde vand umiddelbart omkring den, skaber et lag vanddamp. Ved den rigtige kombination af kugle- og vandtemperaturer bliver dette lag stabilt, så bolden er helt indkapslet i gassen. Vi kalder dette en Leidenfrost -stat. "

Dette er 'inside out' versionen af ​​fænomenet de fleste kokke regelmæssigt ville se, når de tilføjede små mængder vand til en meget varm pande, og vanddråberne skitter hen over gryden, fordi de forhøjes af en dampfilm, der opretholdes af den varme overflade.

Den anden slags bold virker ved at afvise vandet omkring den. Hydrofobisk betyder bogstaveligt talt 'vandhadende'. Tænk på vandperler og løb af en Goretex -jakke. Og når noget er superhydrofobisk, det had løber dybt.

Bolden er belagt i et produkt kaldet Glaco Mirror Coat Zero, det sælges faktisk som en spray-on vandafvisende belægning til sidespejle på biler. Det er så effektivt til at afvise vand, at bolden under de rigtige forhold holder et lag gas mellem sig selv og vandet, selv når den er helt nedsænket.

"Fordelen ved den superhydrofobe belægning er, at den virker i vand ved stuetemperatur, "siger professor Chan.

Dr. Ivan Vakarelski og professor Sigurdur Thoroddsen, der leder King Abdullah University en del af teamet, sige, at der er mange måder at reducere træk på.

"Dimples på golfbolde er et eksempel, som mønsteret på en hajhud, "siger Dr. Vakarelski.

"At frigive luftbobler foran et objekt, der bevæger sig i vand, kan reducere træk markant, som kan ved hjælp af en hydrofob overflade. "

Professor Thoroddsen siger, at tanken bag alle disse strategier er at ændre måden, hvorpå væsken - såsom vand eller luft - flyder rundt om objektet, især lige ved siden af ​​objektet, ved det, der kaldes grænselaget.

"I vores tidligere forsøg vi har stabile gaslag omkring disse bolde, men de var mindre end 1 millimeter tykke, " han siger.

"Dette var med til at reducere trækket med 10 eller 20 procent, men det var ikke nok, så vi begyndte at tænke på måder at skabe en større boble omkring disse bolde. "

De begyndte at tabe boldene fra forskellige højder, og fandt ud af, at i det helt rigtige højdeområde, der blev skabt et stort gashulrum omkring bolden, og denne form blev opretholdt, da bolden sank gennem vandet.

Dr Evert Klaseboer fra Institute of High Performance Computing og professor Chan, der lavede den teoretiske analyse og modellering, er spændte på, hvordan denne opdagelse har taget et rent teoretisk koncept og gjort det virkeligt.

"Der er en velkendt teori på dette område, at trækkraften på et ideelt objekt, med en frit skridsikker overflade, vil falde til nul, "siger Dr Klaseboer.

"Dette er det velkendte d'Alemberts paradoks, og vores resultat er en realisering af det teoretiske resultat fra det 18. århundrede.

"I studiet af væskedynamik, Vi har altid brugt en hypotetisk sfære, fordi vi ikke har været i stand til at oprette et objekt med en fri overflade-indtil nu.

"Kuglens bevægelse, ligesom den førnævnte golfbold, er umulig at forudsige med en matematisk formel på grund af den kaotiske virkning af turbulens, men kugle-i-hulrummet har ingen turbulens og kan beskrives ved meget enkle ligninger. Det kunne blive et lærebogseksempel på nogle grundlæggende hydrodynamiske teorier. "

Denne forskning har vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​energieffektive marine køretøjer.

"Nuværende teknologier er afhængige af indsprøjtning af gasbobler nær skroget, "siger professor Chang.

"Også under udvikling er køretøjer, der har en superhydrofob overflade, der naturligt kan opretholde tynde luftlag.

"Disse teknologier kan opnå 10 eller måske 20 procent trækreduktion, mens vores eksperiment viser, at for det bedste scenario, en størrelsesordenreduktion er mulig.

"Dette sætter nu målet for fremtidig forskning på dette område."