Физики уменьшили сопротивление воды в десять раз

Ученые нашли способ существенно ослабить влияние воды на движущиеся сквозь нее предметы. Для этого они применили два способа: нагревание тела и специальное внешнее покрытие. Отчет о работе опубликован в журнале Science Advances.

Сопротивление воды — это основной фактор, ограничивающий скорость кораблей и подводных лодок, именно он определил форму тел рыб и морских млекопитающих в ходе эволюции. Уменьшение трения о воду даже на несколько процентов может привести к существенной выгоде в скорости перемещения и необходимых для движения затрат энергии. Достигнуть этого эффекта можно различными способами. Например, этой цели служат углубления на поверхности мяча для гольфа.

В новой работе международный коллектив из Австралии, Саудовской Аравии и Сингапура проводил опыты с падением двухсантиметрового металлического шарика в воду. Ученые хотели уменьшить сопротивление воды, создав вокруг тела стабильную, наполненную газом полость. В одной серии экспериментов в почти кипящую воду (95°C) бросали шарик, нагретый до 400°C. При соприкосновении шарика с жидкостью часть ее сразу испарялась и окружала шарик. При необходимой комбинации температур слой из пара был стабилен и сопровождал шарик при его движении.

Второй способ заключается в покрытии тела супергидрофобным веществом, то есть таким, которое значительно отталкивает воду. В эксперименте использовался коммерчески доступный спрей Glaco Mirror Coat Zero, который был создан для защиты боковых зеркал автомобилей от капель. При определенных условиях он также создавал устойчивый газовый слой, причем даже при комнатной температуре. По сравнению с каплевидными пластиковыми телами такой же массы сопротивление уменьшалось на 90%.

Все способы уменьшения сопротивления основаны на изменении потока в непосредственной близости от тела, в так называемом пограничном слое. «В прошлых экспериментах нам удалось создать стабильные полости, но их толщина была меньше миллиметра, — говорит Сигюрдюр Тороддсен из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы. — Это позволило уменьшить сопротивление на 10-20%, поэтому мы начали думать, как сделать более толстые слои».

Оказалось, что при падении шарика с определенного диапазона высот образовывалась большая, наполненная паром полость, которая сохраняла свою форму на протяжении движения. Этот эксперимент стал наилучшим приближением к знаменитому парадоксу Д’Аламбера, сформулированному еще в XVIII веке. Согласно ему идеальная жидкость не должна оказывать никакого сопротивления на сферу. Авторы считают, что проведенные опыты могут войти в учебники как пример фундаментальной гидродинамической теории и труднодостижимой в реальности ситуации с отсутствующей турбулентностью.