Супергидрофобные поверхности часто используются для снижения сопротивления в жидкости, но обычно эффект не превышает 20 процентов. Международный коллектив ученых показал, что если супергидрофобный или нагретый шарик бросить в воду с достаточной скоростью, то вокруг него образуется пузырек воздуха, который сам автоматически подстраивает свою форму. Это приводит к снижению сопротивления в 10 раз. Работа опубликована в Science Advances.

Супергидрофобные поверхности часто используют для снижения сопротивления в жидкости. Это возможно благодаря тому, что при контакте с водой из-за шероховатости поверхности между твердым телом и жидкостью возникает воздушный слой, в результате чего жидкость течет не вдоль твердого тела, а вдоль газа. Аналогичный эффект можно наблюдать для тел, нагретых до температуры, достаточной для кипения жидкости вокруг них, что приводит к образованию слоя пара. Однако толщина устойчивого газового слоя, который при этом образуется, обычно не превышает пары миллиметров, что приводит к максимальному снижению сопротивления порядка 10–20 процентов. Для создания более толстых воздушных слоев для снижения сопротивления, например, на торпедах используется довольно дорогая технология суперкавитации, при которой воздушный слой необходимой толщины образуется вокруг торпеды с помощью специального кавитатора в головной части снаряда. Стоит отметить, что помимо толщины газового слоя, гидродинамическое сопротивление сильно зависит и от формы снаряда. Сейчас для определения оптимальной формы, как правило, используются довольно трудоемкие компьютерное моделирование или эксперименты в гидродинамической трубе.

В своей новой работе физики показали, что если сферическое тело с необходимыми свойствами поверхности бросить в воду с достаточной скоростью, то вокруг него автоматически формируется газовый пузырь нужной формы, который приводит к практически нулевому сопротивлению. Образование пузыря ученые наблюдали в двух случаях: если поверхность шарика супергидрофобная или если он нагрет до температуры 400 градусов, достаточной для эффекта Лейденфроста. В первом случае шарик захватывает с собой газ при погружении в воду, а во втором — создает вокруг себя необходимое количество пара за счет испарения жидкости.

Процесс образования воздушного пузыря необходимой формы вокруг супергидрофобного шарика. I. Vakarelski et al./ Science Advances, 2017

Форма воздушных пузырей вокруг нагретого и супергидрофобного шариков одинакового размера. I. Vakarelski et al./ Science Advances, 2017

Сравнение коэффициентов сопротивления для модели торпеды и системы «шарик в пузыре». I. Vakarelski et al./ Science Advances, 2017

Оказалось, что для шариков радиусом около 1 миллиметра скорость, необходимая для образования газового пузыря, должна превышать 1 метр в секунду. При этом такой пузырь сам принимает форму, которая необходима для минимального сопротивления. В своей работе ученые оценили максимальный диаметр сечения и длину этого пузыря и показали, что его форма полностью определяется уравнением Бернулли для потенциального течения вокруг такого объекта. Характерно, что эта форма полностью соответствует форме торпеды. Поэтому дополнительно ученые сравнили движение супергидрофобного шарика, брошенного в воду, с движением напечатанной на 3d-принтере модели торпеды для различных плотностей материала.

Оказалось, что коэффициент сопротивления для системы «шарик в пузыре» составляет около 0,02, что примерно в 10 раз меньше, чем для твердой частицы такой же формы, но с гидрофильной поверхностью. При этом скорость всей этой системы из-за необходимости удовлетворять уравнению Бернулли тоже не случайная, а полностью определяется силой тяжести, то есть плотностью материала, из которого шарик состоит.

Таким образом, автоматическая настройка необходимой формы и возможность управления скоростью объекта, вероятно, смогут быть использованы в дальнейшем для управления гидродинамическим сопротивлением в жидкостях, и получать объекты с почти нулевым сопротивлением. Стоит отметить, что разнообразие способов применения супергидрофобных поверхностей довольно велико и не ограничивается только снижением сопротивления. Также они могут быть использованы в качестве противоолединительных и водоотталкивающих поверхностей, а также, например, для управления полетом капель или охлаждения процессоров.

Автор: Александр Дубов