茶色の流体力学の研究者が、部分的に水没した物体がどのように抗力を受けるのかを解明

ロードアイランド州プロビデンス [ブラウン大学] — すべての流体力学の中で最も一般的で実際に役立つ実験の 1 つは、物体を空中に保持するか、完全に水中に沈め、定常流にさらして抗力の形でその抵抗を測定することです。 抗力に関する研究は、航空機や車両の設計における技術の進歩につながり、さらには環境プロセスの理解も前進しました。

最近ではそれがずっと厳しいです。 流体力学は最も徹底的に研究されている側面の 1 つであるため、これらの古典的な実験から抗力抵抗の単純な物理学に関する新しい情報を収集したり詳しく説明したりすることは困難になっています。 しかし、ブラウン大学の科学者が率いる技術者チームは、この問題を表面、つまり水面に浮かび上がらせることに成功しました。

『Physical Review Fluids』の新しい論文で説明されているように、研究者らは実験室に小さな川のような水路を作り、さまざまな撥水素材で作られた球体を、流れる水にほぼ完全に水没するまで流れの中に降ろした。

実験の結果は、部分的に水没した物体の抗力が、同じ素材でできた完全に水没した物体の抗力よりも数倍大きくなるという、基本的な、そして時には直観に反する仕組みを示しています。

たとえば、ブラウンのエンジニアであるロバート・ハント氏とダニエル・ハリス氏が率いる研究者らは、球体の素材がどれほど撥水性であっても、水に触れた瞬間に球体にかかる抵抗が増加することを発見した。 そのたびに、抵抗は予想より大幅に増加し、球体が下降するにつれて増加し続け、球体が完全に水面下に入ったときにのみ低下し始めました。

ブラウン工学部助教授のハリス氏は、「水中に入る球体が最大の撹乱を引き起こす中間期があり、水面下にある場合よりも抗力がはるかに強くなる」と述べた。 「球体が定常流をより多く遮断しているため、球体が下降すると抗力が増加することはわかっていましたが、驚くべきことはそれがどれほど増加するかでした。 その後、球をさらに深く押し続けると、抗力は元に戻ります。」

この研究では、部分的に水没した物体の抗力は、完全に水没した物体よりも 3 ～ 4 倍大きくなる可能性があることが示されています。 たとえば、最大の抗力は、球体が完全に水没する直前に測定されました。これは、水が球体の周囲を流れているものの、表面にはまだ小さな乾いた部分が突き出ていることを意味します。

「水中にある球体の量が抵抗の大きさに対応すると予想されるかもしれません」とハリス研究室の博士研究員であり、この研究の筆頭著者であるハント氏は言う。 「もしそうなら、球体がほぼ 100% 水中にある場合、抵抗力は水面下に完全に沈んでいる場合とほぼ同じになる、と単純に抵抗力を近似するかもしれません。 私たちが発見したのは、抗力は実際にはそれよりもはるかに大きくなる可能性があり、50% ではなく、300% または 400% に近いものになる可能性があるということです。」

研究者らはまた、球体の撥水性のレベルが、球体が受ける抗力に重要な役割を果たしていることも発見した。 ここで、物事は少し直感に反します。

実験は 3 つの球体を使って行われました。球体は 1 つが超疎水性の素材でコーティングされており、撥水性が非常に高かったのに対し、他の球体は徐々に撥水性が低下した素材で作られている点を除き、その他は同一です。

実験を行ったところ、研究者らは超疎水性コーティングが他の 2 つの球体よりも多くの抵抗にさらされたことを発見しました。 彼らは逆のことを予想していたので、それは驚きでした。

「抵抗を減らすために超疎水性材料が提案されることがよくありますが、私たちの場合、超疎水性の球体はほぼ完全に浸されたときに、他の撥水性の球体よりもはるかに大きな抵抗力を持つことがわかりました」とハント氏は述べた。 「抵抗を減らそうとすると、実際には大幅に増加する可能性があります。」