Ощущаемое вами сопротивление вызвано трением жидкости — или сопротивлением — и это та же сила, которая действует на лодки и другие объекты, когда они движутся по воде. Однако морские суда эволюционировали в формы, направленные на минимальное сопротивление, и корабли разработаны с мощными двигателями, которые преодолевают сопротивление, чтобы перемещать их через океан быстрее и плавнее.Совсем недавно супергидрофобные поверхности (СВС) привлекли внимание ученых, которые видят их потенциал для уменьшения трения жидкости. Но, как заметил профессор машиностроения Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Паоло Луццатто-Фегиз, хотя основная теория этих поверхностей верна, их реальные характеристики оставляют желать лучшего.
По словам Луццатто-Фегиза, эксперта по гидродинамике, SHS сочетает водоотталкивающую химию с микромасштабным рисунком таким образом, чтобы существенно уменьшить контакт поверхности с водой. Однако они оказались в лучшем случае ненадежными, часто функционируют хаотично или вообще не работают.И теперь, в исследовании, освещенном в Proceedings of the National Academy of Sciences, Луццатто-Фегиз и его коллеги из Кембриджского и Манчестерского университетов определили основную причину этого.
Теоретически супергидрофобные поверхности эффективны, потому что они содержат крошечные воздушные карманы. По словам Луццатто-Фегиза, воздух намного менее вязкий, чем вода, поэтому уменьшение количества воды, которая контактирует с поверхностью, уменьшит результирующее сопротивление.
Преимущества снижения лобового сопротивления напрямую влияют на экономию топлива: чем меньше гидравлическое трение, которое испытывает корабль, тем меньше топлива необходимо для преодоления сопротивления. А поскольку сопротивление увеличивается со скоростью, чем быстрее движется корабль, тем больше топлива ему требуется для противодействия возникающему сопротивлению.Однако при проверке гипотезы, которая теоретически могла бы показать значительное снижение сопротивления, результаты других исследователей часто не приводили к снижению вообще, а в некоторых случаях демонстрировали несколько худшую производительность.
Это была проблема, которая заставляла ученых ломать голову — пока Луццатто-Фегиз не пришло в голову, что в этом могут быть виноваты поверхностно-активные вещества. Хотя до него исследователи определили эту возможность, он и его команда были первыми, кто продемонстрировал эту концепцию. Согласно численному моделированию и строго контролируемым экспериментам, Луццатто-Фегиз и др.
Обнаружили, что даже крошечных следовых количеств поверхностно-активных веществ — соединений, снижающих поверхностное натяжение, таких как мыло, — было достаточно, чтобы вызвать дисбаланс в потоке воды вдоль его поверхности. соприкасается с поверхностью, что приводит к перетаскиванию.Тайна раскрыта. Но можно ли исправить проблему?«Ключевая идея заключается в том, что никакая жидкость не бывает чистой», — сказал Луццатто-Фегиз.
Океаны и реки содержат множество природных и антропогенных поверхностно-активных веществ. Но, по его словам, можно найти выход из проблемы, изменив структуру СВС. Например, за счет создания более длинных канавок в узоре, выровненного с потоком воды, накопление поверхностно-активного вещества, которое предотвращает уменьшение сопротивления поверхности, накапливается дальше по линии границы раздела, уменьшая некоторое сопротивление.
Результаты этого эксперимента могут предоставить ценные знания тем, кто проектирует морские суда с учетом экономии топлива. Особенно в свете приближающихся правил, которые потребуют от мирового флота торговых судов покупать более дорогое, но более чистое горючее топливо, снижение лобового сопротивления может иметь большое значение для снижения затрат для судов, курсирующих по мировым океанам, а также для уменьшения загрязнения окружающей среды. побочные продукты сжигания ископаемого топлива.
«Снижение лобового сопротивления, снижение расхода топлива и, следовательно, выбросов, включая соединения серы и CO2», — сказал Луццатто-Фегиз.