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Les physiciens découvrent le secret du zéro traînée dans l'eau


C'est le concept de physique qui ralentit les nageurs, oblige les poissons à évoluer pour le combattre et allonge le temps de trajet de nombreux navires. Les nageurs de compétition se débarrasseront des poils exposés juste pour les réduire - Faites glisser. La traînée ralentit tout dans l'eau et réduit la traînée sur un objet en 3 à 5 pour cent peut grandement affecter l'efficacité d'un objet.

Cependant, une équipe de recherche a développé un moyen de réduire la traînée en 1000 pour cent. Le groupe était composé de chercheurs du monde entier, notamment de l'Université de Melbourn, de l'Université des sciences et de la technologie King Abdulla d'Arabie saoudite et de l'Institut de calcul haute performance de Singapour.

Pour une telle percée, la configuration de l'équipe est restée d'une simplicité trompeuse. Ils ont laissé tomber une boule de métal de seulement 2 cm de large dans une piscine. La bille a formé une bulle de gaz autour d'elle-même, puis la combinaison bille / bulle coulait ensemble. Selon les recherches, la balle subit 10 fois moins de traînée qu'un objet solide avec exactement la même forme.

Les chercheurs ont mis des années à comprendre la physique et les spécifications derrière la théorie. Derek Chan est mathématicien à l'Université de Melbourne. Il était également un chef de file pour l'étude.

«Il y a deux façons de créer ces couches de gaz», a-t-il déclaré. "La première consiste à chauffer une sphère métallique à une température très élevée, et la seconde consiste à utiliser une surface superhydrophobe [incroyablement opposée à l'eau]."

Ils ont d'abord utilisé la théorie de la surchauffe:

"Pour le premier, nous chauffons la balle à 400 degrés Celsius, et nous chauffons l'eau à 95 degrés Celsius - juste en dessous de son point d'ébullition", a déclaré Chan. «Lorsque la balle touche l'eau, elle fait bouillir une petite quantité d'eau immédiatement autour d'elle, créant une couche de vapeur d'eau. À la bonne combinaison de température de la balle et de l'eau, cette couche devient stable, de sorte que la balle est complètement enfermée dans le gaz. Nous appelez cela un état de Leidenfrost. "

Pour un meilleur visuel sur l'état de Leidenfrost, regardez cette vidéo de YouTuber Misk8k ci-dessous:

L'équipe a ensuite testé la deuxième théorie des surfaces hydrophiles. Pour ceux qui ont besoin d'une représentation visuelle de surfaces détestant l'eau, pensez à la façon dont les gouttelettes d'eau perlent et s'écoulent d'un jack Goretex ou d'une casserole antiadhésive de haute qualité. Chan a noté que l'avantage d'utiliser des surfaces hydrophiles est qu'il économise de l'énergie en n'ayant pas à chauffer l'eau; il fonctionne à température ambiante.

Le professeur Sigdur Thoroddsen a aidé à diriger la partie de l'Université King Abdullah de l'équipe avec le professeur Ian Vakarelski. Thoroddsen a déclaré que l'ensemble du projet reposait sur l'écoulement de l'eau ou de l'air au niveau de la couche limite.

"Dans nos expériences précédentes, nous avons obtenu des couches de gaz stables autour de ces boules, mais elles avaient moins de 1 millimètre d'épaisseur", a-t-il déclaré. "Cela a aidé à réduire la traînée de 10 ou 20 pour cent, mais ce n'était pas suffisant, alors nous avons commencé à réfléchir à des moyens de créer une plus grande bulle autour de ces balles."

L'équipe a donc commencé à larguer les sphères métalliques de différentes hauteurs pour trouver le «sweet spot». Ils ont découvert qu'à la bonne hauteur, une grosse bulle de gaz s'est formée autour de la balle et que cette bulle s'est maintenue pendant qu'elle coulait.

Evert Klaseboar travaille à l'Institut de calcul haute performance et a noté que l'ensemble du projet constitue un concept théorique de longue date et le rend réel.

"Il existe une théorie bien connue dans ce domaine, selon laquelle la force de traînée sur un objet idéal, avec une surface antidérapante, tombera à zéro", a déclaré Klaseboer. Klaseboer a comparé le but des fossettes sur une balle de golf à essayer d'atteindre cet état de zéro traînée. "C'est le paradoxe bien connu d'Alembert et notre résultat est une réalisation du 21ème siècle d'un résultat théorique du 18ème siècle. Dans l'étude de la dynamique des fluides, nous avons toujours utilisé une sphère hypothétique parce que nous n'avons pas pu pour créer un objet avec une surface antidérapante - jusqu'à présent. "

«Le mouvement des balles, comme la balle de golf susmentionnée, est impossible à prévoir avec une formule mathématique en raison de l'action chaotique de la turbulence, mais la sphère dans la cavité n'a pas de turbulence et peut être décrite par des équations très simples. pourrait devenir un exemple de manuel de certaines théories hydrodynamiques fondamentales. "

Chang a dit qu'il espère que si la technologie peut maintenir 10 à 20 pour cent réduction de la traînée, l'équipe veut sonder plus profondément.

"... notre expérience démontre que dans le meilleur des cas, une réduction d'ordre de grandeur est possible", a-t-il déclaré. "Cela fixe désormais l'objectif des recherches futures dans ce domaine."

Vous pouvez retrouver toute l'étude dans le journal Progrès scientifiques.


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