Forscher der Brown-Fluiddynamik beleuchten, wie teilweise untergetauchte Objekte dem Widerstand ausgesetzt sind

PROVIDENCE, RI [Brown University] – 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.

Wie in einem neuen Artikel in Physical Review Fluids beschrieben, schufen 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 sie weit unter der Oberfläche wären“, 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 anstieg. Wenn man die Kugel dann immer tiefer drückt, nimmt der Widerstand wieder ab.“

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 mit der Größe des Widerstands korrespondiert“, sagte Hunt, Postdoktorand in Harris‘ Labor und Erstautor der Studie. „Wenn ja, dann könnten Sie den Widerstand naiv annähern, indem Sie sagen, dass, wenn sich die Kugel zu fast 100 % im Wasser befindet, der Widerstand fast derselbe sein wird, als ob sie vollständig unter der Oberfläche eingetaucht wäre. Wir haben herausgefunden, dass der Widerstand tatsächlich viel größer sein kann – 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.

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 Widerstand zu verringern, aber in unserem Fall haben wir herausgefunden, dass superhydrophobe Kugeln, wenn sie fast vollständig eingetaucht sind, einen viel größeren Widerstand haben als Kugeln aus anderen wasserabweisenden Eigenschaften“, sagte Hunt. „Wenn Sie versuchen, den Luftwiderstand zu verringern, könnten Sie ihn tatsächlich erheblich erhöhen.“