Att kasta heta kulor i viskösa vätskor avslöjar ett sätt att minska vätskebeständigheten utan komplexa tekniska förfaranden.

Den oregelbundna sprutningen av vattendroppar runt fräsande stekpannor uppstår när lager av fångad ånga får dropparna att flyta kort. Ett team från King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudiarabien, har visat att denna process, känd som Leidenfrost -effekten, kan användas för att avsevärt minska dragkrafterna för föremål som färdas genom vätskor.

En baseballs speciella stygn och groparna på golfbollar är inte bara kosmetiska. Vid tillräckliga hastigheter, dessa grova strukturer gör att ett tunt gränsskikt av luft som strömmar över sfären uppträder turbulent och minskar friktionen till en nivå under den för släta ytor. Denna så kallade dragkris låter dessa bollar uppnå längre och mer stabila banor.

Nyligen, Siggi Thoroddsen, Professor i maskinteknik, och Ivan Vakarelski från KAUST undersökte tekniker för att utlösa drag utan att åberopa krisfenomenet. De uppnådde detta genom att vända vanliga Leidenfrost -procedurer och sänka heta kulor i vätskor. Med tillräcklig avdunstning, bildades ett ånglager som fungerade som smörjmedel för att minska vätske-fast friktion. Detta tillvägagångssätt gjorde att heta sfärer kunde röra sig dubbelt så snabbt som svalare klot under experiment med fritt fall.

Dock, både dragkrisen och Leidenfrost-inducerad levitation sker under ett smalt intervall av en parameter, känd som Reynolds -numret, som relaterar vätskans viskositet och densitet till storleken och hastigheten på en resande sfär. I deras senaste arbete, Vakarelski, Thoroddsen och medarbetare i Australien använde vätskor med unika stabiliserande egenskaper för att dramatiskt utöka de förhållanden under vilka Leidenfrost -ånglager minskar dragkrafterna.

Forskarna tappade de skållande sfärerna i höga vertikala tankar som innehåller perfluorkolväten, vätskor som ofta används som köldmedier som avdunstar lättare än vatten. Höghastighetsvideokameror fångade sfärernas fritt fallbanor i perfluorkolväten med mycket olika viskositeter för att utforska en rad dragförhållanden. Förvånande, ånglagret minskade friktionen med mycket mer än förväntat, och gjorde det framgångsrikt för Reynolds -nummer som sträcker sig över tre storleksordningar.

Modellering av denna process avslöjade att Leidenfrost -effekten fick vätskan som flyter runt sfären att glida och ta olika hastigheter. Thoroddsen förklarade att "När vi långsamt introducerar mer slip, detta minskar gradvis motståndet. Den partiella glidningen bestäms av vätskans relativa viskositet och gasmolekylerna i ånglagret. "

Teamet räknar med att ånglagren naturligt uppstår på superhydrofoba ytor, eller induceras via bubbelinjektion, kan stimulera utvecklingen av oväntade friktionstekniker. "Dessa experiment ger bara en övre gräns för dragreducering - när ingenjörer har sett möjligheterna, den potentiella utbetalningen kan vara stor, "tillade Thoroddsen.