I ricercatori di fluidodinamica Brown fanno luce su come gli oggetti parzialmente sommersi subiscono la resistenza

PROVVIDENZA, RI [Brown University] — Uno degli esperimenti più comuni e praticamente utili in tutta la dinamica dei fluidi prevede di tenere un oggetto in aria o immergerlo completamente sott'acqua, esponendolo a un flusso costante per misurare la sua resistenza sotto forma di resistenza. Gli studi sulla resistenza aerodinamica hanno portato a progressi tecnologici nella progettazione di aerei e veicoli e hanno persino fatto avanzare la nostra comprensione dei processi ambientali.

È molto più difficile di questi tempi. Essendo uno degli aspetti più studiati della dinamica dei fluidi, è diventato difficile raccogliere o dettagliare nuove informazioni sulla semplice fisica della resistenza alla resistenza da questi esperimenti classici. Ma un team di ingegneri guidati da scienziati della Brown University è riuscito a farlo portando questo problema in superficie: la superficie dell’acqua, cioè.

Descritto in un nuovo articolo pubblicato su Physical Review Fluids, i ricercatori hanno creato un piccolo canale simile a un fiume in laboratorio e hanno abbassato delle sfere, realizzate con diversi materiali idrorepellenti, nel flusso fino a quando non sono state quasi completamente sommerse dall'acqua corrente.

I risultati dell’esperimento illustrano i meccanismi fondamentali – e talvolta controintuitivi – di come la resistenza su un oggetto parzialmente sommerso possa essere molte volte maggiore della resistenza su un oggetto completamente sommerso fatto dello stesso materiale.

Ad esempio, i ricercatori – guidati dagli ingegneri della Brown Robert Hunt e Daniel Harris – hanno scoperto che la resistenza sulle sfere aumentava nel momento in cui toccavano l’acqua, indipendentemente da quanto fosse idrorepellente il materiale della sfera. Ogni volta, la resistenza aumentava sostanzialmente più di quanto previsto e continuava ad aumentare man mano che le sfere venivano abbassate, iniziando a diminuire solo quando le sfere erano completamente sott'acqua.

"C'è questo periodo intermedio in cui le sfere che entrano nell'acqua creano i maggiori disturbi, così che la resistenza è molto più forte che se fossero molto al di sotto della superficie", ha detto Harris, un assistente professore alla Brown's School of Engineering. “Sapevamo che la resistenza sarebbe aumentata man mano che le sfere si abbassavano perché bloccano maggiormente il flusso costante, ma la cosa sorprendente è stata quanto aumenta. Quindi, man mano che continui a spingere la sfera più in profondità, la resistenza torna indietro.

Lo studio mostra che le forze di resistenza su oggetti parzialmente sommersi possono essere tre o quattro volte maggiori rispetto a quelle su oggetti completamente sommersi. Le maggiori forze di resistenza, ad esempio, sono state misurate appena prima che la sfera fosse completamente sommersa, il che significa che l'acqua scorre tutt'intorno ma c'è ancora un piccolo punto asciutto che sporge sulla superficie.

"Ci si potrebbe aspettare che la quantità di sfera presente nell'acqua corrisponda alla grandezza della resistenza", ha affermato Hunt, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Harris e primo autore dello studio. “Se è così, allora potresti ingenuamente approssimare la resistenza dicendo che se la sfera è quasi al 100% nell’acqua, la resistenza sarà quasi la stessa che se fosse completamente immersa sotto la superficie. Ciò che abbiamo scoperto è che la resistenza può in realtà essere molto maggiore di quella – e non del 50% ma più del 300% o del 400%”.

I ricercatori hanno anche scoperto che il livello di idrorepellenza della sfera gioca un ruolo chiave nelle forze di resistenza che subisce. È qui che le cose diventano un po’ controintuitive.

L'esperimento è stato condotto con tre sfere che per il resto sono identiche, tranne che una è stata rivestita con un materiale superidrofobico, che la rende molto repellente all'acqua, mentre le altre erano realizzate con materiali sempre meno idrorepellenti.

Eseguendo gli esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che il rivestimento superidrofobico incontrava una resistenza maggiore rispetto alle altre due sfere. È stata una sorpresa perché si aspettavano il contrario.

"Spesso vengono proposti materiali superidrofobici per ridurre la resistenza, ma, nel nostro caso, abbiamo scoperto che le sfere superidrofobiche quando sono quasi completamente immerse hanno una resistenza molto maggiore rispetto alla sfera realizzata con qualsiasi altro materiale idrorepellente", ha detto Hunt. "Nel tentativo di diminuire la resistenza, potresti effettivamente aumentarla sostanzialmente."