Investigadores de dinámica de fluidos marrones arrojan luz sobre cómo los objetos parcialmente sumergidos experimentan resistencia

PROVIDENCIA, Rhode Island [Universidad de Brown] — Uno de los experimentos más comunes y prácticamente útiles en toda la dinámica de fluidos implica sostener un objeto en el aire o sumergirlo completamente bajo el agua, exponiéndolo a un flujo constante para medir su resistencia en forma de arrastre. Los estudios sobre la resistencia al arrastre han dado lugar a avances tecnológicos en el diseño de aviones y vehículos e incluso han mejorado nuestra comprensión de los procesos ambientales.

Eso es mucho más difícil hoy en día. Como uno de los aspectos más estudiados de la dinámica de fluidos, se ha vuelto difícil obtener o detallar nueva información sobre la física simple de la resistencia al arrastre a partir de estos experimentos clásicos. Pero un equipo de ingenieros dirigido por científicos de la Universidad de Brown logró hacerlo llevando este problema a la superficie, es decir, a la superficie del agua.

Descrito en un nuevo artículo en Physical Review Fluids, los investigadores crearon un pequeño canal similar a un río en el laboratorio y bajaron esferas (hechas de diferentes materiales repelentes al agua) en la corriente hasta que quedaron casi completamente sumergidas por el agua que fluía.

Los resultados del experimento ilustran la mecánica fundamental, y a veces contraintuitiva, de cómo la resistencia de un objeto parcialmente sumergido puede ser varias veces mayor que la de un objeto completamente sumergido hecho del mismo material.

Por ejemplo, los investigadores, dirigidos por los ingenieros de Brown, Robert Hunt y Daniel Harris, descubrieron que la resistencia de las esferas aumentaba en el momento en que tocaban el agua, sin importar cuán repelente al agua fuera el material de la esfera. Cada vez, la resistencia aumentó sustancialmente más de lo esperado y continuó aumentando a medida que las esferas bajaban, comenzando a caer solo cuando las esferas estaban completamente bajo el agua.

"Existe un período intermedio en el que las esferas que entran en el agua crean las mayores perturbaciones, de modo que la resistencia es mucho más fuerte que si estuviera muy por debajo de la superficie", dijo Harris, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown. “Sabíamos que la resistencia aumentaría a medida que se bajaran las esferas porque bloquean una mayor parte del flujo constante, pero lo sorprendente fue cuánto aumenta. Luego, a medida que sigues empujando la esfera más profundamente, la resistencia vuelve a disminuir”.

El estudio muestra que las fuerzas de arrastre en objetos parcialmente sumergidos pueden ser tres o cuatro veces mayores que en objetos completamente sumergidos. Las fuerzas de arrastre más grandes, por ejemplo, se midieron justo antes de que la esfera quedara completamente sumergida, lo que significa que el agua fluye a su alrededor pero todavía hay una pequeña mancha seca que sobresale de la superficie.

"Se podría esperar que la cantidad de esfera que hay en el agua se corresponda con el tamaño de la resistencia", dijo Hunt, investigador postdoctoral en el laboratorio de Harris y primer autor del estudio. “Si es así, entonces podrías aproximarte ingenuamente a la resistencia diciendo que si la esfera está casi al 100% en el agua, la resistencia será casi la misma que si estuviera completamente sumergida debajo de la superficie. Lo que encontramos es que la resistencia puede ser mucho mayor que eso, y no como el 50% sino más bien como el 300% o el 400%”.

Los investigadores también descubrieron que el nivel de repelencia al agua de la esfera juega un papel clave en las fuerzas de arrastre que experimenta. Aquí es donde las cosas se vuelven un poco contradictorias.

El experimento se realizó con tres esferas que por lo demás son idénticas excepto que una estaba recubierta con un material superhidrófobo, lo que la hacía muy repelente al agua, mientras que las otras estaban hechas de materiales cada vez menos repelentes al agua.

Al realizar los experimentos, los investigadores descubrieron que el recubrimiento superhidrófobo encontró más resistencia que las otras dos esferas. Fue una sorpresa porque esperaban todo lo contrario.

"A menudo se proponen materiales superhidrófobos para reducir la resistencia, pero, en nuestro caso, descubrimos que las esferas superhidrófobas cuando están casi completamente sumergidas tienen una resistencia mucho mayor que la esfera hecha de cualquier otro material repelente al agua", dijo Hunt. "Al tratar de disminuir la resistencia, en realidad podría aumentarla sustancialmente".