브라운 유체 역학 연구자들은 부분적으로 물에 잠긴 물체가 어떻게 항력을 경험하는지 밝혀냈습니다.

프로비던스, RI [브라운 대학교] — 모든 유체 역학에서 가장 일반적이고 실질적으로 유용한 실험 중 하나는 물체를 공기 중에 유지하거나 물속에 완전히 담그고 일정한 흐름에 노출시켜 항력의 형태로 저항을 측정하는 것입니다. 항력 저항에 대한 연구는 비행기와 차량 설계의 기술 발전을 가져왔고 환경 과정에 대한 이해도 향상시켰습니다.

요즘은 그게 훨씬 더 힘들어요. 유체 역학에서 가장 철저하게 연구된 측면 중 하나로서 이러한 고전적인 실험에서 항력 저항의 간단한 물리학에 대한 새로운 정보를 수집하거나 자세히 설명하는 것이 어려워졌습니다. 그러나 브라운 대학교 과학자들이 이끄는 엔지니어 팀은 이 문제를 표면, 즉 수면으로 가져옴으로써 그렇게 했습니다.

Physical Review Fluids의 새로운 논문에 설명된 연구원들은 실험실에 작은 강과 같은 수로를 만들고 흐르는 물에 거의 완전히 잠길 때까지 다양한 발수성 재료로 만들어진 구를 하천으로 낮췄습니다.

실험 결과는 부분적으로 물에 잠긴 물체에 대한 항력이 동일한 재료로 만들어진 완전히 물에 잠긴 물체에 대한 항력보다 몇 배 더 클 수 있다는 근본적인, 때로는 반직관적인 메커니즘을 보여줍니다.

예를 들어, 브라운 엔지니어인 로버트 헌트(Robert Hunt)와 다니엘 해리스(Daniel Harris)가 이끄는 연구원들은 구체 재료가 아무리 발수성이 있어도 물에 닿는 순간 구체에 대한 항력이 증가한다는 것을 발견했습니다. 매번 항력은 예상했던 것보다 훨씬 더 많이 증가했고, 구체가 낮아지면서 계속 증가했으며, 구체가 물 아래 완전히 잠겨 있을 때만 떨어지기 시작했습니다.

브라운 공과대학의 조교수인 Harris는 "물속으로 들어가는 구체가 가장 큰 교란을 만들어 표면 아래에 있을 때보다 항력이 훨씬 더 강해지는 중간 기간이 있습니다."라고 말했습니다. “우리는 구체가 안정된 흐름을 더 많이 차단하기 때문에 구체가 낮아지면 항력이 증가할 것이라는 것을 알았지만 놀라운 점은 항력이 얼마나 증가하는지였습니다. 그런 다음 구를 계속 더 깊이 밀면 드래그가 다시 내려갑니다.”

연구에 따르면 부분적으로 물에 잠긴 물체의 항력은 완전히 물에 잠긴 물체보다 3~4배 더 클 수 있습니다. 예를 들어, 가장 큰 항력은 구체가 완전히 물에 잠기기 직전에 측정되었습니다. 즉, 물이 구체 주위로 흐르고 있지만 여전히 표면에 작은 마른 부분이 튀어나와 있다는 의미입니다.

해리스 연구실의 박사후 연구원이자 이번 연구의 제1저자인 Hunt는 "물 속에 있는 구체의 양은 항력의 크기와 일치할 것으로 예상할 수 있습니다."라고 말했습니다. “그렇다면 구가 물 속에 거의 100% 잠겨 있으면 항력은 마치 표면 아래에 완전히 잠겨 있는 것과 거의 같을 것이라고 말함으로써 항력을 순진하게 근사할 수 있습니다. 우리가 발견한 것은 항력이 실제로 그보다 훨씬 더 클 수 있다는 것입니다. 50%는 아니고 300% 또는 400%에 가깝습니다.”

연구원들은 또한 구체의 발수성 수준이 그것이 경험하는 항력에 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 이것은 상황이 약간 직관에 반하는 부분입니다.

실험은 세 개의 구체를 사용하여 수행되었습니다. 하나는 초소수성 물질로 코팅되어 물에 대한 방수 기능이 매우 뛰어나고 다른 구체는 점차 발수성이 떨어지는 물질로 만들어졌습니다.

실험을 진행하면서 연구원들은 초소수성 코팅이 다른 두 구체보다 더 많은 항력을 받는다는 것을 발견했습니다. 그들은 그 반대를 기대했기 때문에 놀랐습니다.

Hunt는 “초소수성 재료는 항력을 줄이기 위해 종종 제안되지만, 우리의 경우 초소수성 구체가 거의 완전히 담갔을 때 다른 발수성 물질로 만들어진 구체보다 훨씬 더 큰 항력을 갖는다는 것을 발견했습니다.”라고 Hunt는 말했습니다. "항력을 줄이려고 하면 실제로는 상당히 증가할 수도 있습니다."