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Los físicos descifran el secreto de la resistencia cero en el agua


Es el concepto de la física lo que ralentiza a los nadadores, obliga a los peces a evolucionar para luchar contra él y alarga el tiempo de viaje de muchos barcos. Los nadadores competitivos se deshacen del vello corporal expuesto solo para reducirlo: arrastre. Arrastrar ralentiza todo en el agua y reduce el arrastre de un objeto con solo 3 a 5 por ciento puede afectar en gran medida la eficiencia de un objeto.

Sin embargo, un equipo de investigación desarrolló una forma de reducir la resistencia al 1000 por ciento. El grupo estaba formado por investigadores de todo el mundo, incluida la Universidad de Melbourne, la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdulla de Arabia Saudita y el Instituto de Computación de Alto Rendimiento de Singapur.

Para tal avance, la configuración del equipo siguió siendo engañosamente simple. Dejaron caer una bola de metal de solo 2 cm de ancho en una piscina. La bola formó una burbuja de gas alrededor de sí misma, y ​​luego la combinación bola / burbuja se hundió. Según la investigación, la pelota experimenta 10 veces menos resistencia que un objeto sólido con exactamente la misma forma.

Los investigadores tardaron años en comprender la física y las especificaciones detrás de la teoría. Derek Chan se desempeña como matemático en la Universidad de Melbourne. También fue un líder del estudio.

"Hay dos formas en que podemos crear estas capas de gas", dijo. "La primera es calentar una esfera de metal a una temperatura muy alta, y la segunda es usar una superficie superhidrofóbica [increíblemente adversa al agua]".

Primero usaron la teoría del sobrecalentamiento:

"Para el primero, calentamos la bola a 400 grados Celsius y calentamos el agua a 95 grados Celsius, justo por debajo de su punto de ebullición", dijo Chan. "Cuando la pelota golpea el agua, hierve una pequeña cantidad de agua inmediatamente a su alrededor, creando una capa de vapor de agua. Con la combinación correcta de temperaturas de la pelota y el agua, esta capa se vuelve estable, por lo que la pelota queda completamente encerrada en el gas. llamar a esto un estado de Leidenfrost ".

Para obtener una mejor imagen sobre el estado de Leidenfrost, mira este video de YouTuber Misk8k a continuación:

Luego, el equipo probó la segunda teoría de las superficies hidrófilas. Para aquellos que necesitan una representación visual de las superficies que odian el agua, piensen en cómo las gotas de agua se acumulan y salen de un gato Goretex o de una sartén antiadherente de alta calidad. Chan señaló que el beneficio de usar superficies hidrofílicas es que ahorra energía al no tener que calentar el agua; funciona a temperatura ambiente.

El profesor Sigdur Thoroddsen ayudó a dirigir la parte del equipo de la Universidad Rey Abdullah junto con el profesor Ian Vakarelski. Thoroddsen dijo que todo el proyecto dependía del flujo de agua o aire en la capa límite.

"En nuestros experimentos anteriores, obtuvimos capas de gas estables alrededor de estas bolas, pero tenían menos de 1 milímetro de espesor", dijo. "Esto ayudó a reducir la resistencia en un 10 o 20 por ciento, pero no fue suficiente, así que comenzamos a pensar en formas de crear una burbuja más grande alrededor de estas bolas".

Entonces, el equipo comenzó a dejar caer las esferas de metal desde varias alturas para encontrar el 'punto óptimo'. Descubrieron que en el rango de altura justo, se formó una gran burbuja de gas alrededor de la bola y esa burbuja se mantuvo mientras se hundía.

Evert Klaseboar trabaja en el Instituto de Computación de Alto Rendimiento y señaló que todo el proyecto hace un concepto teórico de larga data y lo hace realidad.

"Existe una teoría bien conocida en este campo, que la fuerza de arrastre sobre un objeto ideal, con una superficie de deslizamiento libre, caerá a cero", dijo Klaseboer. Klaseboer comparó el propósito de los hoyuelos en una pelota de golf con tratar de lograr este estado de arrastre cero. "Esta es la conocida paradoja de d'Alembert y nuestro resultado es una realización en el siglo XXI de un resultado teórico del siglo XVIII. En el estudio de la dinámica de fluidos, siempre hemos utilizado una esfera hipotética porque no hemos podido para crear un objeto con una superficie de deslizamiento libre, hasta ahora ".

"El movimiento de las bolas, como la pelota de golf antes mencionada, es imposible de predecir con una fórmula matemática debido a la acción caótica de la turbulencia, pero la esfera en la cavidad no tiene turbulencia y se puede describir mediante ecuaciones muy simples. podría convertirse en un ejemplo de libro de texto de algunas teorías hidrodinámicas fundamentales ".

Chang dijo que espera que mientras la tecnología pueda mantener 10 a 20 por ciento reducción de la resistencia, el equipo quiere investigar más a fondo.

"... nuestro experimento demuestra que en el mejor de los casos, es posible una reducción del orden de magnitud", dijo. "Esto ahora establece el objetivo para futuras investigaciones en esta área".

Puedes encontrar el estudio completo en la revista Avances científicos.


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