Inspiriert von der Notwendigkeit, Meerestiere zu schützen und nachhaltige Lösungen in der Meeresumwelt zu fördern, beschäftigt sich ein interdisziplinäres Forscherteam der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Saudi-Arabien und der Universität Sofia in Bulgarien mit der Hydrodynamik schwimmender Objekte im Luft-Wasser-Verhältnis Schnittstelle.
Ihr Ziel ist es, durch die Untersuchung dieser Dynamik das Verständnis der Fluidhydrodynamik und komplexer Oberflächenwechselwirkungen zu erweitern – und Bereiche wie das Design und die Leistung von Schiffstechniksystemen, Bojensystemen und Unterwasserfahrzeugen voranzutreiben.
In Physik der Flüssigkeitenstellt das Team eine Studie über die Dynamik von schwimmenden Kugeln (denken Sie an hüpfende Steine) an der Luft-Wasser-Grenzfläche vor. Ihre Arbeit enthüllte komplexe Hydrodynamiken, die bei der Bildung horizontaler Lufthohlräume und dem Übergang zwischen Schweben und Hüpfen eine Rolle spielen. Der Artikel trägt den Titel „Hüpfen unter Wasser: Hydrodynamik der schwimmenden Kugel an der Luft-Wasser-Grenzfläche.“
Das Studium der Fluidik und Physik im Kontext des Auftriebs umfasst mehrere Schlüsselprinzipien: Auftrieb, Hydrodynamik, Flüssigkeitswiderstand und eine Reynolds-Zahl.
Unter Auftrieb versteht man die nach oben gerichtete Kraft, die auf ein in eine Flüssigkeit eingetauchtes Objekt ausgeübt wird, während sich die Hydrodynamik auf die Bewegung der Flüssigkeit und ihre Wechselwirkungen mit festen Objekten konzentriert.
Flüssigkeitswiderstand oder Widerstand entsteht, wenn ein Objekt, das sich durch eine Flüssigkeit bewegt, aufgrund der Reibung zwischen seiner Oberfläche und der Flüssigkeit einen Widerstand erfährt. Dieser Widerstand hängt von Faktoren wie der Form, Größe, Geschwindigkeit und den Flüssigkeitseigenschaften eines Objekts ab.
Zur weiteren Analyse des Flüssigkeitsverhaltens verwenden Wissenschaftler einen dimensionslosen Parameter, eine Reynolds-Zahl, um die Art der Strömung um ein Objekt zu bestimmen.
Eine der wichtigsten Erkenntnisse des Teams ist, dass sich die Kugeln mit zunehmender Zugkraft und Geschwindigkeit unregelmäßiger verhalten. „Die Kugeln zeigen oszillierende Bewegungen, tauchen in das Wasser ein, steigen zur Wasseroberfläche auf und durchdringen sie und bilden Unterwasserlufthohlräume in horizontaler Richtung“, sagte Co-Autor Farrukh Kamoliddinov von KAUST.
Sie entdeckten außerdem, dass größere Zugwinkel zu unterschiedlichen Luftraumlängen, größeren Sprungabständen und einem früheren Wasseraustrittsverhalten führen – was bedeutet, dass der Zugwinkel eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Hydrodynamik der schwimmenden Kugeln spielt.
Und der Hohlraum behält über eine bestimmte Distanz eine gleichmäßige horizontale Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit bei. Die Bildung des Lufthohlraums weist besondere Merkmale auf, darunter eine umgekehrte Flügelform und eine turbulente Nachströmung dahinter. Diese stetige und kontrollierte horizontale Bewegung des Hohlraums ermöglicht Einblicke in die komplexe Fluiddynamik und öffnet die Tür für weitere Untersuchungen und Anwendungen.
„Das Verständnis der Dynamik schwimmender Kugeln und der Hohlraumbildung kann zu neuen Designs und Innovationen in Bereichen über die Meerestechnik hinaus inspirieren“, sagte Kamoliddinov. „Es kann möglicherweise zu neuen neuartigen Antriebssystemen, Strategien zur Reduzierung des Luftwiderstands, Fluidantriebssystemen und Fluidgeräten führen, die die Eigenschaften schwimmfähiger Kugeln nutzen.“
Mehr Informationen:
Farrukh Kamoliddinov et al., Springen unter Wasser: Hydrodynamik der schwimmenden Kugel an der Luft-Wasser-Grenzfläche, Physik der Flüssigkeiten (2023). DOI: 10.1063/5.0153610