Обледенение снизило турбулентность подводного движения

Внешний вид шариков, используемых в эксперименте. Слева — шарик до погружения, справа — в момент погружения.

Изображение: Ivan U. Vakarelski et al. / Physical Review Letters, 2015

Группа физиков под руководством Ивана Вакарельски из Тувальского университета наук и технологий Короля Абдуллы (Саудовская Аравия) обнаружила, что покрытие слоем льда шариков, свободно падающих в воде, может привести к почти двукратному падению сопротивления. Связано это с явлением кризиса сопротивления, наступающего для обледеневших шариков раньше. Исследование опубликовано в  Physical Review Letters, а кратко с ним можно ознакомиться в журнале Physics.

Авторы работы изучали турбулентные потоки, возникающие за шариками двух типов — покрытыми ледяной коркой и свободные от нее. Оказалось, что наличие слоя льда уменьшает скорость, при которой наступает кризис сопротивления. Это явление, приводящее к резкому сужению турбулентного потока позади шарика, играющего важную роль в сопротивлении среды. Это, в свою очередь, приводит к развитию шариком больших скоростей.

По словам физиков, для создания шариков в ледяной оболочке использовались те же методы, которые применяются для создания ледяных шариков для коктейлей. Сердцевину ледяных «снарядов» представляли собой 40-миллиметровые стальные шарики, а толщина намораживаемого слоя составляла 10 миллиметров.

Кризис сопротивления заключается в смещении точки отрыва турбулентного потока из-за приповерхностных эффектов. Изначально ламинарное (гладкое) обтекание тела изменяется при увеличении скорости, приводя к появлению турбулентного поверхностного слоя. В результате область турбулентности позади тела «соскальзывает» с поверхности и значительно сужается.

Уменьшение скорости, при которой турбулентный поток соскальзывает с тела, авторы работы связывают с медленным переносом воды с поверхности льда в окружающую среду. Это удалось подтвердить, сравнивая характер движения шариков в воде при комнатной температуре и при 6 градусах Цельсия — при пониженных температурах кризис сопротивления наступал при больших скоростях.

Авторы предполагают, что их находка поможет лучше моделировать движение айсбергов. Кроме того, эффект предполагает, что суда с оледеневшим днищем могут испытывать меньшее сопротивление воды, чем без корки льда.

Исследования кризиса сопротивления находят применения в различных областях науки и техники — начиная от разработки шариков для гольфа, заканчивая аэродинамикой самолетов, и гидродинамикой судов. Как правило, основным методом для понижения скорости, необходимой для этого явления, является создания ямочек и бугорков на поверхности объектов, новая же работа предложила принципиально отличный подход.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.