L’une des expériences les plus courantes et les plus utiles dans la dynamique des fluides consiste à maintenir un objet dans l’air ou à le plonger complètement sous l’eau et à l’exposer à un flux constant pour mesurer sa résistance sous forme de résistance. Les études sur la traînée ont conduit à des avancées technologiques dans la conception des avions et des véhicules, et même à notre compréhension des processus environnementaux.

C’est beaucoup plus difficile de nos jours. En tant qu’aspect de la dynamique des fluides les plus étudiés, il est devenu difficile de rassembler ou de détailler de nouvelles informations sur la physique simple de la résistance à la traînée à partir de ces expériences classiques. Mais c’est exactement ce qu’une équipe d’ingénieurs dirigée par des scientifiques de l’Université Brown a réussi à faire remonter ce problème à la surface, à la surface de l’eau.

Décrit dans un nouvel article dans Fluides d’examen physiqueLes chercheurs ont créé en laboratoire un petit canal semblable à une rivière et ont descendu des boules composées de divers matériaux hydrofuges en aval jusqu’à ce qu’elles soient presque complètement submergées par l’eau qui coule.

Les résultats de l’expérience illustrent les mécanismes fondamentaux – et parfois contre-intuitifs – selon lesquels la traînée sur un objet partiellement immergé peut être plusieurs fois supérieure à la traînée sur un objet entièrement immergé constitué du même matériau.

Par exemple, des chercheurs dirigés par les ingénieurs de Brown, Robert Hunt et Daniel Harris, ont découvert que la traînée sur les sphères augmentait au moment où elles entraient en contact avec l’eau, quel que soit le degré d’étanchéité du matériau sphérique. À chaque fois, la traînée augmentait beaucoup plus que prévu et continuait d’augmenter à mesure que les balles tombaient, ne commençant à diminuer que lorsque les balles étaient complètement sous l’eau.

« Il y a cette période intermédiaire où les corps sphériques entrant dans l’eau créent le plus de turbulences, de sorte que la traînée est beaucoup plus forte qu’elle ne le serait bien sous la surface », a déclaré Harris, professeur adjoint à la Brown School of Engineering. « Nous savions que la traînée augmenterait à mesure que les balles descendaient, car cela bloque davantage le flux constant, mais ce qui est surprenant, c’est à quel point elle augmente. Puis, à mesure que vous continuez à pousser la balle plus profondément, la traînée redescend. »

L’étude montre que les forces de traînée exercées sur des objets partiellement immergés peuvent être trois à quatre fois supérieures à celles exercées sur des objets entièrement immergés. Par exemple, les forces de traînée les plus importantes ont été mesurées avant que la balle ne soit complètement immergée, ce qui signifie que l’eau coule autour d’elle mais qu’il reste encore une petite zone sèche dépassant à la surface.

« On pourrait s’attendre à ce que la taille d’une sphère dans l’eau corresponde à la taille des nuages », a déclaré Hunt, chercheur postdoctoral au laboratoire Harris et premier auteur de l’étude. « Si tel était le cas, vous pourriez naïvement estimer la résistance en disant que si la balle était presque à 100 % dans l’eau, la résistance serait à peu près la même que si elle était complètement immergée sous la surface.  » La résistance pourrait en réalité être bien supérieure à cela. Pas comme 50 % mais plutôt 300 % ou 400 %. »

Les chercheurs ont également découvert que le niveau de résistance à l’eau de la balle joue un rôle majeur dans les forces de traînée qu’elle subit. C’est là que les choses deviennent un peu contre-intuitives.

L’expérience a été réalisée avec trois balles identiques sauf qu’une était recouverte d’un matériau hautement hydrophobe, ce qui la rend très hydrofuge, tandis que les autres balles étaient constituées de matériaux de moins en moins hydrofuges.

En menant des expériences, les chercheurs ont découvert que la couche hautement hydrophobe rencontrait une plus grande résistance que les deux autres domaines. Et la surprise, c’est qu’ils s’attendaient au contraire.

« Des matériaux superhydrophobes sont souvent proposés pour réduire la traînée, mais dans notre cas, nous avons constaté que les balles superhydrophobes, lorsqu’elles étaient presque complètement immergées, avaient beaucoup plus de résistance qu’une balle fabriquée à partir de tout autre matériau hydrofuge », a déclaré Hunt. « En essayant de réduire la traînée, vous pourriez en fait l’augmenter considérablement. »

L’article explique que la simple physique en est la cause probable.

« L’eau ne veut rien avoir à faire avec cette balle très hydrophobe, alors elle fait tout ce qu’elle peut pour s’écarter du chemin de la balle », a déclaré Harris. « Mais ce qui se passe, c’est qu’une grande partie de l’eau s’accumule devant elle, de sorte que vous vous retrouvez avec un mur d’eau que la balle frappe. Intuitivement, vous pourriez penser que l’eau devrait glisser plus librement. En fait, la physique conspire contre cela dans ce scénario.

Les conclusions de l’article pourraient un jour avoir des implications sur les conceptions et les structures qui fonctionnent à l’interface air-eau, comme les petits véhicules autonomes. Pour l’instant, la physique indépendante de cette recherche fondamentale est suffisamment intéressante pour que les études sur les objets partiellement submergés ne soient pas encore bien décrites ou comprises dans ce domaine.

« Nous avons été surpris que personne n’ait effectué ces mesures », a déclaré Harris. « C’est une idée simple mais il y a ici beaucoup de physique riche. »

Les chercheurs ont choisi les sphères comme premiers objets 3D en raison de la simplicité de leur géométrie. Ils n’ont qu’une seule échelle de longueur : le rayon. La sphère vous sert de tremplin pour résumer la mécanique physique jusqu’à ses principes de base avant de passer à des formes plus complexes.

« En commençant par le point le plus simple, nous examinons ce qu’est la physique ici, puis, comme étape suivante, nous commençons à appliquer nos connaissances à des structures plus réalistes, qu’il s’agisse de simuler une structure biologique ou d’examiner des structures motrices créées par l’homme », a déclaré Harris. dit.

Hunt et Eli Silver, membre du laboratoire, ont conçu le dispositif à canal pour créer l’expérience de courant d’eau et ont programmé un ascenseur mécanique qui abaisse les billes dans le canal d’eau. Les travaux ont commencé en collaboration avec Yuri Bazilev, professeur à la Brown School of Engineering. Des chercheurs de l’Université de l’Illinois Urbana Champagne ont également participé à des simulations informatiques.