Супергідрофобну кульку втопили з майже нульовим опором води

Супергідрофобні поверхні часто використовуються для зниження опору в рідині, але зазвичай ефект не перевищує 20 відсотків. Міжнародний колектив вчених показав, що якщо супергідрофобна або нагріта кулька кинути у воду з достатньою швидкістю, то навколо неї утворюється бульбашка повітря, яка сама автоматично підлаштовує свою форму. Це призводить до зниження опору в 10 разів. Робота опублікована в Science Advances.

Супергідрофобні поверхні часто використовують для зниження опору в рідині. Це можливо завдяки тому, що при контакті з водою через шорсткість поверхні між твердим тілом і рідиною виникає повітряний шар, в результаті чого рідина тече не вздовж твердого тіла, а вздовж газу. Аналогічний ефект можна спостерігати для тіл, нагрітих до температури, достатньої для кипіння рідини навколо них, що призводить до утворення шару пари. Однак товщина стійкого газового шару, який при цьому утворюється, зазвичай не перевищує пари міліметрів, що призводить до максимального зниження опору близько 10-20 відсотків. Для створення більш товстих повітряних шарів для зниження опору, наприклад, на торпедах використовується досить дорога технологія суперкавітації, при якій повітряний шар необхідної товщини утворюється навколо торпеди за допомогою спеціального кавітатора в головній частині снаряда. Варто зазначити, що крім товщини газового шару, гідродинамічний опір сильно залежить і від форми снаряда. Зараз для визначення оптимальної форми, як правило, використовуються досить трудомісткі комп'ютерне моделювання або експерименти в гідродинамічній трубі.

У своїй новій роботі фізики показали, що якщо сферичне тіло з необхідними властивостями поверхні кинути у воду з достатньою швидкістю, то навколо нього автоматично формується газовий міхур потрібної форми, який призводить до практично нульового опору. Освіту бульбашки вчені спостерігали у двох випадках: якщо поверхня кулька супергідрофобна або якщо вона нагріта до температури 400 градусів, достатньої для ефекту Лейденфроста. У першому випадку кулька захоплює з собою газ при зануренні у воду, а в другому - створює навколо себе необхідну кількість пара за рахунок випаровування рідини.

Виявилося, що для кульок радіусом близько 1 міліметра швидкість, необхідна для утворення газової бульбашки, повинна перевищувати 1 метр на секунду. При цьому така бульбашка сама приймає форму, яка необхідна для мінімального опору. У своїй роботі вчені оцінили максимальний діаметр перерізу і довжину цієї бульбашки і показали, що його форма повністю визначається рівнянням Бернуллі для потенційної течії навколо такого об'єкта. Характерно, що ця форма повністю відповідає формі торпеди. Тому додатково вчені порівняли рух супергідрофобної кульки, кинутої у воду, з рухом надрукованої на 3d-принтері моделі торпеди для різних щільностей матеріалу.

Виявилося, що коефіцієнт опору для системи «кулька в бульбашці» становить близько 0,02, що приблизно в 10 разів менше, ніж для твердої частинки такої ж форми, але з гідрофільною поверхнею. При цьому швидкість всієї цієї системи через необхідність задовольняти рівнянню Бернуллі теж не випадкова, а повністю визначається силою тяжкості, тобто щільністю матеріалу, з якого кулька складається.

Таким чином, автоматичне налаштування необхідної форми і можливість управління швидкістю об'єкта, ймовірно, зможуть бути використані в подальшому для управління гідродинамічним опором в рідинах і отримання об'єктів з майже нульовим опором. Варто зазначити, що різноманітність способів застосування супергідрофобних поверхонь досить велика і не обмежується тільки зниженням опору. Також вони можуть бути використані в якості протиолз'єднувальних і водовідштовхувальних поверхонь, а також, наприклад, для управління польотом крапель або охолодження процесорів.