Ein Team von Ingenieuren unter der Leitung von Wissenschaftlern der Brown University hat ein Experiment durchgeführt, um den Luftwiderstand von teilweise eingetauchten Objekten zu untersuchen. Dafür haben sie einen kleinen Flusskanal im Labor geschaffen und Kugeln aus verschiedenen wasserabweisenden Materialien in das fließende Wasser gelassen. Die Forscher stellten fest, dass der Luftwiderstand der Kugeln sofort stieg, als sie mit dem Wasser in Berührung kamen, selbst wenn das Material wasserabweisend war. Der Widerstand stieg wesentlich stärker an, wenn die Kugeln teilweise eingetaucht waren, und nahm erst ab, als sie vollständig eingetaucht waren. Der Luftwiderstand bei teilweise eingetauchten Objekten kann drei bis vier Mal höher sein als bei vollständig eingetauchten Objekten. Überraschenderweise hatte die superhydrophobe Kugel mehr Widerstand als Kugeln mit weniger wasserabweisenden Eigenschaften. Die Forscher fanden heraus, dass sich vor der superhydrophoben Kugel eine Wasserwand bildet, die den Widerstand erhöht. Diese Erkenntnis stellt die Annahme infrage, dass superhydrophobe Materialien den Widerstand verringern. Die Studie hat Auswirkungen auf Designs und Strukturen, die an der Grenze von Luft und Wasser betrieben werden. Die Forscher planen, ihre Erkenntnisse auf komplexere Formen und Strukturen anzuwenden. Die Forschung entstand in Zusammenarbeit zwischen der Brown University und der University of Illinois Urbana-Champagne.
Einführung
In einem kürzlich durchgeführten Experiment unter der Leitung von Wissenschaftlern der Brown University ging ein Team von Ingenieuren der Frage nach dem Strömungswiderstand teilweise eingetauchter Objekte nach. Das Experiment sollte Aufschluss darüber geben, wie sich verschiedene wasserabweisende Materialien auf den Strömungswiderstand in fließendem Wasser auswirken können. Die Ergebnisse dieses Experiments haben wichtige Auswirkungen auf Designs und Strukturen, die an der Luft- und Wasser-Grenzfläche arbeiten.
Das Experiment
Das Team schuf einen kleinen, flussähnlichen Kanal im Labor und ließ Kugeln aus verschiedenen wasserabweisenden Materialien in das fließende Wasser hinab. Die Forscher beobachteten, wie die Kugeln mit dem Wasser interagierten, und maßen die resultierenden Strömungskräfte. Das Experiment lieferte wertvolle Erkenntnisse über das Verhalten teilweise eingetauchter Objekte.
Strömungswiderstand nimmt bei Berührung mit Wasser zu
Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus dem Experiment war, dass der Strömungswiderstand der Kugeln zunahm, sobald sie in Kontakt mit dem Wasser kamen, unabhängig vom verwendeten wasserabweisenden Material. Diese Beobachtung stellt die Annahme in Frage, dass wasserabweisende Materialien allein den Strömungswiderstand signifikant reduzieren können.
Strömungswiderstand nimmt mit teilweiser Eintauchung zu
Die Forscher entdeckten auch, dass der Strömungswiderstand deutlich stärker zunahm, wenn die Kugeln teilweise eingetaucht waren, im Vergleich zur vollständigen Eintauchung. Tatsächlich erfuhren teilweise eingetauchte Objekte drei- bis viermal höhere Strömungskräfte als vollständig eingetauchte Objekte. Diese Erkenntnis unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses des Verhaltens von Objekten unter teilweiser Eintauchung.
Unerwartete Ergebnisse mit superhydrophobem Material
Überraschenderweise hatte die Kugel aus superhydrophobem Material mehr Strömungswiderstand als Kugeln aus anderen, weniger wasserabweisenden Materialien. Bei weiteren Untersuchungen fand das Team heraus, dass das superhydrophobe Material dazu führte, dass sich das Wasser vor der Kugel zu einer Wand formte, was zu einem erhöhten Strömungswiderstand führte. Diese Erkenntnis stellt den konventionellen Glauben in Frage, dass superhydrophobe Materialien den Strömungswiderstand von Natur aus reduzieren.
Auswirkungen auf Design und Strukturen
Die Ergebnisse der Studie haben erhebliche Auswirkungen auf Designs und Strukturen, die an der Luft- und Wasser-Grenzfläche arbeiten. Ingenieure und Designer müssen den erhöhten Strömungswiderstand von teilweise eingetauchten Objekten in ihre Berechnungen und Designprozesse einbeziehen. Diese Erkenntnis ist insbesondere für Strukturen wie Brücken, Schiffe und andere teilweise oder vollständig eingetauchte Objekte von entscheidender Bedeutung.
Zukünftige Anwendungen
Aufbauend auf diesen Ergebnissen planen die Forscher, ihr Wissen auf komplexere Formen und Strukturen anzuwenden. Durch die Erweiterung ihrer Untersuchungen über Kugeln hinaus hoffen sie, ein tieferes Verständnis dafür zu gewinnen, wie verschiedene Geometrien und Materialien unter unterschiedlichen Strömungsbedingungen mit Wasser interagieren. Dieses Wissen kann zu effizienteren und strömungsgünstigeren Designs in der Zukunft beitragen.
Zusammenarbeit zwischen der Brown University und der University of Illinois Urbana-Champagne
Die Forschung war eine gemeinsame Anstrengung von Wissenschaftlern und Ingenieuren der Brown University und der University of Illinois Urbana-Champagne. Diese Partnerschaft ermöglicht interdisziplinäre Ansätze und Expertise, die wissenschaftliche Strenge stärkt und den Untersuchungsumfang erweitert.
