Супергидрофобный шарик утопили с почти нулевым сопротивлением воды

I. Vakarelski et al./ Science Advances, 2017

Супергидрофобные поверхности часто используются для снижения сопротивления в жидкости, но обычно эффект не превышает 20 процентов. Международный коллектив ученых показал, что если супергидрофобный или нагретый шарик бросить в воду с достаточной скоростью, то вокруг него образуется пузырек воздуха, который сам автоматически подстраивает свою форму. Это приводит к снижению сопротивления в 10 раз. Работа опубликована в Science Advances.

Супергидрофобные поверхности часто используют для снижения сопротивления в жидкости. Это возможно благодаря тому, что при контакте с водой из-за шероховатости поверхности между твердым телом и жидкостью возникает воздушный слой, в результате чего жидкость течет не вдоль твердого тела, а вдоль газа. Аналогичный эффект можно наблюдать для тел, нагретых до температуры, достаточной для кипения жидкости вокруг них, что приводит к образованию слоя пара. Однако толщина устойчивого газового слоя, который при этом образуется, обычно не превышает пары миллиметров, что приводит к максимальному снижению сопротивления порядка 10-20 процентов. Для создания более толстых воздушных слоев для снижения сопротивления, например, на торпедах используется довольно дорогая технология суперкавитации, при которой воздушный слой необходимой толщины образуется вокруг торпеды с помощью специального кавитатора в головной части снаряда. Стоит отметить, что помимо толщины газового слоя, гидродинамическое сопротивление сильно зависит и от формы снаряда. Сейчас для определения оптимальной формы, как правило, используются довольно трудоемкие компьютерное моделирование или эксперименты в гидродинамической трубе.

В своей новой работе физики показали, что если сферическое тело с необходимыми свойствами поверхности бросить в воду с достаточной скоростью, то вокруг него автоматически формируется газовый пузырь нужной формы, который приводит к практически нулевому сопротивлению. Образование пузыря ученые наблюдали в двух случаях: если поверхность шарика супергидрофобная или если он нагрет до температуры 400 градусов, достаточной для эффекта Лейденфроста. В первом случае шарик захватывает с собой газ при погружении в воду, а во втором — создает вокруг себя необходимое количество пара за счет испарения жидкости.

Оказалось, что для шариков радиусом около 1 миллиметра скорость, необходимая для образования газового пузыря, должна превышать 1 метр в секунду. При этом такой пузырь сам принимает форму, которая необходима для минимального сопротивления. В своей работе ученые оценили максимальный диаметр сечения и длину этого пузыря и показали, что его форма полностью определяется уравнением Бернулли для потенциального течения вокруг такого объекта. Характерно, что эта форма полностью соответствует форме торпеды. Поэтому дополнительно ученые сравнили движение супергидрофобного шарика, брошенного в воду, с движением напечатанной на 3d-принтере модели торпеды для различных плотностей материала.


Оказалось, что коэффициент сопротивления для системы «шарик в пузыре» составляет около 0,02, что примерно в 10 раз меньше, чем для твердой частицы такой же формы, но с гидрофильной поверхностью. При этом скорость всей этой системы из-за необходимости удовлетворять уравнению Бернулли тоже не случайная, а полностью определяется силой тяжести, то есть плотностью материала, из которого шарик состоит.

Таким образом, автоматическая настройка необходимой формы и возможность управления скоростью объекта, вероятно, смогут быть использованы в дальнейшем для управления гидродинамическим сопротивлением в жидкостях и получения объектов с почти нулевым сопротивлением. Стоит отметить, что разнообразие способов применения супергидрофобных поверхностей довольно велико и не ограничивается только снижением сопротивления. Также они могут быть использованы в качестве противоолединительных и водоотталкивающих поверхностей, а также, например, для управления полетом капель или охлаждения процессоров.

Александр Дубов


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.