Föreställ dig att gå från ena sidan av en pool till den andra. Varje steg kräver stor ansträngning - det är det som gör vattengymnastik till så effektiv fysisk träning.

Motståndet du känner orsakas av flytande friktion – eller drag – och det är samma kraft som verkar på båtar och andra föremål när de rör sig genom vattnet. Dock, sjöfartsfartyg har utvecklats till former som syftar till att minimera motståndet, och fartyg är designade med kraftfulla motorer som övervinner motstånd för att driva dem snabbare och smidigare över havet.

På senare tid, superhydrofoba ytor (SHS) har fångat uppmärksamheten hos forskare som ser deras potential för att minska vätskefriktionen. Men som professor Paolo Luzzatto-Fegiz i maskinteknik vid UC Santa Barbara noterade, medan den grundläggande teorin om dessa ytor är sund, deras verkliga prestanda lämnar mycket övrigt att önska.

Enligt Luzzatto-Fegiz, en expert på vätskedynamik, SHS kombinerar vattenavvisande kemi med mönstring i mikroskala på ett sätt som väsentligt minskar ytkontakten med vatten. Dock, de har visat sig vara opålitliga i bästa fall, fungerar ofta oregelbundet eller fungerar inte alls.

Och nu, i forskning som lyfts fram i Proceedings of the National Academy of Sciences , Luzzatto-Fegiz och hans kollegor vid University of Cambridge och University of Manchester har identifierat en viktig orsak till detta.

Teoretiskt sett, superhydrofoba ytor är effektiva eftersom de innehåller små luftfickor. Luft är mycket mindre trögflytande än vatten, Luzzatto-Fegiz noterade, så att minska mängden vatten som kommer i kontakt med ytan kommer att minska det resulterande motståndet.

Fördelarna med att minska motståndet har direkt betydelse för bränsleekonomin:Ju mindre vätskefriktion ett fartyg upplever, desto mindre bränsle behövs för att övervinna motståndet. Och eftersom motståndet ökar med hastigheten, ju snabbare fartyget rör sig desto mer bränsle krävs för att motverka det resulterande motståndet.

Dock, när man testar hypotesen, vilket kan, i teorin, visa en signifikant minskning av luftmotståndet, resultat från andra forskare fann ofta ingen minskning alls, och i vissa fall, visade en något sämre prestation.

Detta var problemet som fick forskarna att klia sig i huvudet - tills det gick upp för Luzzatto-Fegiz att ytaktiva ämnen kunde vara skyldiga. Medan forskare före honom hade identifierat denna möjlighet, han och hans team var de första att demonstrera konceptet. Enligt numeriska simuleringar och hårt kontrollerade experiment, Luzzatto-Fegiz, et al, fann att även små spårmängder av ytaktiva ämnen - föreningar som minskar ytspänningen, såsom tvål — var tillräckligt för att orsaka obalans i vattenflödet längs dess gränssnitt med ytan, resulterar i drag.

Mysteriet löst. Men går det att lösa problemet?

"Nyckelidén är att ingen vätska är ren, " sa Luzzatto-Fegiz. Hav och floder innehåller mängder av naturliga och konstgjorda ytaktiva ämnen. Men det kan vara möjligt att utforma en väg ut ur problemet genom att ändra mönstret för SHS, han sa. Till exempel, genom att skapa längre spår i mönstret i linje med vattenflödet, ansamlingen av ytaktiva ämnen som förhindrar minskningen av motståndet på ytan ackumuleras längre ner i gränsytan, minskar en del av motståndet.

Resultaten av detta experiment kan ge värdefull kunskap till dem som designar havsgående fartyg med ett öga mot bränsleeffektivitet. Särskilt i skuggan av förestående regleringar som kommer att kräva att den globala flottan av handelsfartyg köper dyrare men renare brinnande bränsle, Att minska luftmotståndet kan räcka långt för att hålla nere kostnaderna för fartyg som trafikerar världshaven, samt minska de förorenande biprodukterna från förbränning av fossila bränslen.

"Minska luftmotståndet för bränsleförbrukningen och därmed på utsläppen – inklusive svavelföreningar och CO2, " sa Luzzatto-Fegiz.