Eines der häufigsten und praktisch nützlichsten Experimente in der gesamten Fluiddynamik besteht darin, ein Objekt in der Luft zu halten oder es vollständig unter Wasser zu tauchen und es einer gleichmäßigen Strömung auszusetzen, um seinen Widerstand in Form des Widerstands zu messen. Studien zum Luftwiderstand haben zu technologischen Fortschritten im Flugzeug- und Fahrzeugdesign geführt und sogar unser Verständnis von Umweltprozessen erweitert.
Das ist heutzutage viel schwieriger. Da es sich um einen der am gründlichsten untersuchten Aspekte der Fluiddynamik handelt, ist es schwierig geworden, aus diesen klassischen Experimenten neue Informationen über die einfache Physik des Widerstandswiderstands zu gewinnen oder detailliert darzustellen. Aber einem Team von Ingenieuren unter der Leitung von Wissenschaftlern der Brown University gelang dies, indem es dieses Problem an die Oberfläche brachte – also an die Wasseroberfläche.
Beschrieben in einem neuen Artikel in Flüssigkeiten zur körperlichen Untersuchungerstellten die Forscher im Labor einen kleinen flussähnlichen Kanal und senkten Kugeln – aus verschiedenen wasserabweisenden Materialien – in den Bach, bis sie fast vollständig vom fließenden Wasser überflutet waren.
Die Ergebnisse des Experiments veranschaulichen die grundlegende – und manchmal kontraintuitive – Mechanik, wie der Widerstand an einem teilweise untergetauchten Objekt um ein Vielfaches größer sein kann als der Widerstand an einem vollständig untergetauchten Objekt aus demselben Material.
Beispielsweise stellten die Forscher unter der Leitung der Brown-Ingenieure Robert Hunt und Daniel Harris fest, dass der Widerstand der Kugeln in dem Moment zunahm, in dem sie das Wasser berührten, unabhängig davon, wie wasserabweisend das Kugelmaterial war. Jedes Mal erhöhte sich der Luftwiderstand deutlich stärker als erwartet und nahm weiter zu, als die Kugeln abgesenkt wurden, und begann erst zu sinken, als die Kugeln vollständig unter Wasser waren.
„Es gibt diese Zwischenzeit, in der die Kugeln, die ins Wasser gehen, die größten Störungen erzeugen, so dass der Widerstand viel stärker ist, als wenn er weit unter der Oberfläche wäre“, sagte Harris, Assistenzprofessor an der Brown’s School of Engineering. „Wir wussten, dass der Widerstand zunehmen würde, wenn die Kugeln abgesenkt würden, weil sie den stetigen Fluss stärker blockieren, aber das Überraschende war, wie stark er ansteigt. Wenn man die Kugel dann weiter tiefer drückt, sinkt der Widerstand wieder.“
Die Studie zeigt, dass die Widerstandskräfte an teilweise untergetauchten Objekten drei- bis viermal größer sein können als an vollständig untergetauchten Objekten. Die größten Widerstandskräfte wurden beispielsweise gemessen, kurz bevor die Kugel vollständig untergetaucht war, was bedeutet, dass sie von Wasser umströmt wird, an der Oberfläche jedoch immer noch ein kleiner trockener Fleck hervorsteht.
„Man könnte erwarten, dass der Anteil der Kugel im Wasser davon abhängt, wie groß der Widerstand ist“, sagte Hunt, ein Postdoktorand in Harris‘ Labor und Erstautor der Studie. „Wenn ja, dann könnten Sie den Widerstand naiv annähern, indem Sie sagen, dass, wenn die Kugel fast zu 100 % im Wasser ist, der Widerstand fast derselbe sein wird, als ob sie vollständig unter der Oberfläche eingetaucht wäre. Was wir gefunden haben, ist der Widerstand.“ kann tatsächlich viel größer sein – und zwar nicht etwa 50 %, sondern eher 300 % oder 400 %.“
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass der Grad der Wasserabweisung der Kugel eine Schlüsselrolle bei den Widerstandskräften spielt, denen sie ausgesetzt ist. Hier wird es etwas kontraintuitiv.
Die Widerstandskräfte an teilweise untergetauchten Objekten können drei- bis viermal größer sein als an vollständig untergetauchten Objekten. Die mit superhydrophobem Material beschichtete Kugel, die sie sehr wasserabweisend macht, erfuhr mehr Widerstand als die weniger wasserabweisenden Kugeln. Grafik mit freundlicher Genehmigung des Harris Lab. Bildnachweis: Harris Lab
Das Experiment wurde mit drei Kugeln durchgeführt, die ansonsten identisch sind, außer dass eine mit einem superhydrophoben Material beschichtet war, was sie sehr wasserabweisend machte, während die anderen aus Materialien bestanden, die immer weniger wasserabweisend sind.
Bei den Experimenten stellten die Forscher fest, dass die superhydrophobe Beschichtung einem größeren Widerstand ausgesetzt war als die beiden anderen Kugeln. Es war eine Überraschung, denn sie erwarteten das Gegenteil.
„Superhydrophobe Materialien werden oft vorgeschlagen, um den Luftwiderstand zu reduzieren, aber in unserem Fall haben wir herausgefunden, dass superhydrophobe Kugeln, wenn sie fast vollständig eingetaucht sind, einen viel größeren Luftwiderstand haben als Kugeln aus anderen wasserabweisenden Eigenschaften“, sagte Hunt. „Wenn Sie versuchen, den Luftwiderstand zu verringern, könnten Sie ihn tatsächlich erheblich erhöhen.“
Das Papier erklärt, dass einfache Physik die wahrscheinliche Ursache ist.
„Das Wasser will nichts mit dieser superhydrophoben Kugel zu tun haben, also tut es alles, was es kann, um der Kugel sozusagen aus dem Weg zu gehen“, sagte Harris. „Aber was passiert, ist, dass sich ein großer Teil davon davor ansammelt, sodass am Ende eine Wasserwand entsteht, auf die die Kugel trifft. Intuitiv könnte man meinen, dass das Wasser freier vorbeigleiten sollte. Die Physik verschwört sich hier tatsächlich dagegen.“ Szenario.“
Die Erkenntnisse aus dem Papier könnten eines Tages Auswirkungen auf Designs und Strukturen haben, die an einer Luft-Wasser-Schnittstelle funktionieren, wie etwa kleine autonome Fahrzeuge. Im Moment ist die eigenständige Physik dieser Grundlagenforschung interessant genug, da Studien zu teilweise untergetauchten Objekten auf diesem Gebiet derzeit nicht so gut charakterisiert oder verstanden sind.
„Wir waren überrascht, dass niemand diese Messungen durchgeführt hatte“, sagte Harris. „Es ist eine so einfache Idee, aber es steckt einfach eine Menge reichhaltiger Physik dahinter.“
Aufgrund ihrer einfachen Geometrie wählten die Forscher Kugeln als erste dreidimensionale Objekte aus. Sie haben nur eine Längenskala – den Radius. Die Kugel dient als Ausgangspunkt, um die physikalische Mechanik auf ihre grundlegendsten Prinzipien zu reduzieren, bevor man zu komplizierteren Formen übergeht.
„Ausgehend vom einfachsten Punkt schauen wir uns an, was die Physik hier ist, und dann beginnen wir im nächsten Schritt, unser Wissen auf realistischere Strukturen anzuwenden, sei es die Nachahmung einer biologischen Struktur oder die Betrachtung künstlicher Antriebsstrukturen“, sagte Harris.
Hunt und sein Laborkollege Eli Silver entwarfen den Gerinneapparat für das Wasserstrahlexperiment und programmierten den motorisierten Lift, der die Kugeln in den Wasserkanal senkt. Die Arbeit begann in Zusammenarbeit mit Yuri Bazilevs, einem Professor an der Brown’s School of Engineering. Daran beteiligten sich auch Forscher der University of Illinois Urbana-Champagne, die Computersimulationen durchführten.
Mehr Informationen:
Robert Hunt et al., Ziehen einer teilweise eingetauchten Kugel im Kapillarmaßstab, Flüssigkeiten zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevFluids.8.084003