Представьте, что вы идете от одной стороны бассейна к другой. Каждый шаг требует больших усилий — вот что делает водную аэробику таким эффективным средством для похудения.
Сопротивление, которое вы чувствуете, вызвано трением — или сопротивлением — и это та же сила, которая действует на лодки и другие объекты при движении по воде. Тем не менее морские суда производятся в формах, при создании которых производители ставили цель минимизировать сопротивление, а также корабли спроектированы с мощными двигателями, которые преодолевают сопротивление, чтобы идти быстрее через водные просторы.
Супергидрофобные поверхности и экономия топлива во время эксплуатации судов
Совсем недавно супергидрофобные поверхности привлекли внимание ученых, которые видят их потенциал для снижения трения жидкости. Но, как отметил профессор машиностроения UC Santa Barbara Паоло Луццатто-Фегиз, реальная производительность таких технологий оставляет желать лучшего.
По словам эксперта по гидродинамике Luzzatto-Fegiz, SHS сочетает водоотталкивающую химию с нанотехнологиями таким образом, чтобы существенно снизить поверхностный контакт с водой. Однако на практике эти образцы оказались ненадежными.
И теперь, в исследованиях, освещенных в Трудах Национальной академии наук, Луццатто-Фегиз и его коллеги из Кембриджского университета и Манчестерского университета определили ключевую причину.
Теоретически супергидрофобные поверхности эффективны, поскольку они содержат крошечные воздушные карманы. Luzatto-Fegiz отметил, что воздух менее вязкий, чем вода, поэтому уменьшение количества воды, которая контактирует с поверхностью судна, уменьшит результирующее сопротивление.
Зачем снижать сопротивление воды?
Преимущество снижения сопротивления — на экономии топлива: чем меньше сопротивление, с которым сталкивается судно, тем меньше топлива необходимо для преодоления одного и того же расстояния. И поскольку сопротивление увеличивается со скоростью, чем быстрее корабль перемещается, тем больше топлива требуется для противодействия полученному сопротивлению.
Однако при тестировании гипотезы, которая теоретически могла бы продемонстрировать значительное снижение сопротивления, результаты других исследователей часто не обнаруживали снижения вообще, а в некоторых случаях демонстрировали увеличение сопротивления.
Это была проблема, из-за которой ученые ломали головы до тех пор, пока Луццатто-Фегиз не подумал о том, что в неудачном исходе экспериментов были виноваты поверхностно-активные вещества. В то время как исследователи до него определили эту возможность, он и его команда были первыми, кто продемонстрировал эту концепцию экспериментально. Согласно численному моделированию и тщательно контролируемым экспериментам, Luzzatto-Fegiz и др. обнаружили, что даже крошечного количества поверхностно-активных веществ — соединений, которые уменьшают поверхностное натяжение, — было достаточно, чтобы вызвать дисбаланс в воде и увеличить сопротивление.
Тайна раскрыта. Но может ли быть решена проблема?
«Основная идея заключается в том, что никакая жидкость не чиста», — сказал Лузатто-Фегиз. Океаны и реки содержат множество природных и созданных человеком поверхностно-активных веществ. Найти выход из проблемы можно путем изменения шаблона SHS, сказал он. Например, создавая более длинные канавки в паттерне, выровненном с потоком воды, накопленные поверхностно-активные вещества, которое предотвращают уменьшение сопротивления на поверхности, накапливаются дальше по их линии, уменьшая часть сопротивления.
Результаты этого эксперимента могут предоставить ценные знания тем, кто проектирует судна с целью минимизации расходов топлива. Особенно в тени надвигающихся изменений в правилах эксплуатации торговых судов в мировом океане, которые на сэкономленные средства смогут приобрести более дорогие, и более чистые топливные материалы.
Снижение сопротивления могло бы значительно снизить затраты на эксплуатацию кораблей, плавающих в Мировом океане, а также уменьшить загрязнение окружающей среды побочными продуктами сжигания топлива.
«Сокращение расходов топлива приведет к уменьшению количества выбросов, включая соединения серы и CO2», — сказал Луззатто-Фегиз.
