حقق الباحثون في الولايات المتحدة العديد من الاكتشافات غير المتوقعة عند مراقبة كيفية تدفق المياه حول المجالات المغمورة جزئيًا. يمكن لتجاربهم البسيطة أن تؤدي إلى فهم أفضل لتدفق السوائل في الأنظمة البيولوجية، وتؤدي إلى تصميمات أفضل للسفن والطائرات.
تلعب التفاعلات بين السوائل المتدفقة والأجسام الصلبة أدوارًا حاسمة في مجموعة واسعة من الظواهر بدءًا من الوظائف البيولوجية وحتى حركة البضائع والأشخاص حول العالم. غالبًا ما تتم دراسة هذه التفاعلات عن طريق وضع جسم ما في تدفق الهواء أو الماء وقياس القوى المؤثرة عليه.
عندما يكون الجسم مغمورًا جزئيًا في المياه المتدفقة، فإنه يمكن أن يواجه مقاومة أكبر مما لو كان هذا الجسم مغمورًا بالكامل. أحد أسباب ذلك هو أنه عند سرعات التدفق المتواضعة التي تزيد عن حوالي 23 سم/ث، فإن الجسم شبه المغمور سيخلق موجة من الموجات التي تبدد الطاقة - وبالتالي زيادة السحب. مع زيادة سرعة التدفق، يؤدي ذلك إلى الاستيقاظ المألوف الذي تحدثه السفن، مما يؤدي إلى زيادة السحب.
في دراسة جديدة لكيفية تدفق المياه عبر المجالات، روبرت هانت ودانييل هاريس اكتشف وزملاؤه في جامعة براون بالولايات المتحدة أن الأجسام شبه المغمورة تتعرض لسحب أكبر حتى عند سرعات التدفق الأقل من 23 سم / ثانية. لقد توصلوا أيضًا إلى اكتشاف غير بديهي مفاده أن الكرات شبه المغمورة ذات الطلاء الطارد للماء (الكاره للماء) تواجه مقاومة أكبر من الكرات ذات الطلاءات الجاذبة للماء (المحبة للماء). كان هذا بمثابة مفاجأة لأن الطلاءات الكارهة للماء غالبًا ما تستخدم لتقليل السحب.
غمس عميق
أجرى الفريق تجاربه عن طريق غمس كرات صغيرة (قطرها 8-13 ملم) في المياه المتدفقة وقياس المقاومة. ووجدوا أنه مع سقوط الكرات بشكل أعمق في الماء، زاد السحب ولم يبدأ في السقوط حتى غمرت الكرات بالكامل.
هذه الزيادة ليست غير متوقعة، لأنه كلما تعمقت الكرة في الماء، فإنها توفر مساحة سطحية أكبر للتدفق - وبالتالي يجب أن يزداد السحب. ما فاجأ الفريق هو أن السحب على الأجسام المغمورة جزئيًا كان أكبر بثلاث أو أربع مرات من ذلك الذي تم قياسه على جسم مغمور بالكامل.
يقول هانت: "قد تقارب المقاومة بسذاجة بالقول إنه إذا كانت الكرة في الماء بنسبة 100% تقريبًا، فإن المقاومة ستكون مماثلة تقريبًا كما لو كانت مغمورة بالكامل تحت السطح". "ما وجدناه هو أن السحب يمكن أن يكون في الواقع أكبر بكثير من ذلك - وليس مثل 50٪ ولكن أكثر من 300٪ أو 400٪."
سحب منخفض السرعة
إحدى الملاحظات المدهشة التي أجراها الفريق هي أنه تمت ملاحظة تحسن كبير في السحب لسرعات التدفق التي تقل عن الحد الأدنى لسرعة موجة الجاذبية الشعرية البالغة 23 سم / ثانية. أقل من هذه السرعة، من غير المتوقع أن يتم إنشاء موجات حول الجسم - وتميل هذه الموجات إلى زيادة السحب. وقال هاريس: "يشير هذا إلى إمكانية وجود آليات سحب أخرى ينبغي أخذها في الاعتبار عند العمل على سطح حر". عالم الفيزياء.
بحث الفريق أيضًا في كيفية تأثير طلاء أسطح الكرات على السحب. وللقيام بذلك استخدموا مجالات مطلية بثلاث مواد مختلفة. وكان أحد الطلاءات عبارة عن مادة NeverWet شديدة الكارهة للماء، وهي جيدة جدًا في صد الماء. وهناك طبقة أخرى كانت عبارة عن أجار، وهي مادة محبة للماء للغاية وتجذب الماء. أما الكرة الثالثة فكانت مغلفة بمادة أكريليك ذات ميل متوسط للمياه.
وجد الفريق أن الكرة شديدة الكارهة للماء تعرضت لمقاومة أكبر بنسبة 50% تقريبًا عندما كانت الكرات مغمورة بالكامل. يشرح هاريس هذا باستخدام فيزياء بسيطة. يوضح هاريس: "في الأساس، فإن الماء الذي يتراكم أمام الجسم يمارس ضغطًا إضافيًا على مقدمة الكرة ويؤدي إلى قوة سحب إضافية". ويمكن ملاحظة ذلك في الشكل أعلاه، حيث يتجه التدفق من اليسار إلى اليمين.
هل التدفق المضطرب عالمي بعد كل شيء؟
ويضيف: "تسمح الكرة المحبة للماء بالتدفق بسهولة أكبر فوق الجزء العلوي، مما يقلل من تأثير التراكم ويسمح للضغوط في الأمام والخلف بأن تصبح أكثر توازناً. إن الكرات الكارهة للماء تقاوم بقوة أكبر السائل المتدفق فوق الجزء العلوي، وبالتالي تحافظ على تراكم أكبر لفترة أطول. يقول هاريس إن هذه النتيجة تتعارض مع بعض الأفكار الحالية حول كيفية تقليل السحب. يلاحظ هاريس: "غالبًا ما يتم تطوير الطلاءات المقاومة للماء للغاية واقتراحها لتقليل السحب، وبالتالي فإن هذه النتيجة كانت في البداية غير بديهية". "في محاولتك تقليل السحب، قد تزيده فعليًا بشكل كبير."
يقول الفريق إنه مندهش من أن هذه القياسات البسيطة لم يتم إجراؤها من قبل. والآن، يأملون في توسيع أبحاثهم لدراسة الأشكال ذات الصلة بالبيولوجيا والتكنولوجيا.
يقول هاريس: "بدءًا من أبسط نقطة، ننظر إلى ماهية الفيزياء هنا، ثم نبدأ كخطوة تالية في تطبيق معرفتنا على هياكل أكثر واقعية، سواء كان ذلك محاكاة بنية بيولوجية أو النظر إلى هياكل دافعة من صنع الإنسان". "نحن مهتمون بتصميم روبوتات مستقلة صغيرة الحجم تعمل وتدفع عند أو بالقرب من واجهة الهواء والماء. العديد من التصميمات الحالية لهذه الأجهزة مستوحاة من الطبيعة، وتستعير تصميمات هندسية أو حركية من الطبيعة، مثل طائر الماء أو الخنفساء الدوامة.
تم وصف البحث سوائل المراجعة البدنية.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- تشارت بريم. ارفع مستوى لعبة التداول الخاصة بك مع ChartPrime. الوصول هنا.
- BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
- المصدر https://physicsworld.com/a/partially-submerged-objects-experience-more-drag-than-expected/
