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Des chercheurs en dynamique des fluides mettent en lumière la façon dont les objets partiellement immergés subissent la traînée
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Dans une nouvelle étude, les chercheurs de Brown décrivent comment la traînée sur un objet partiellement immergé peut être plusieurs fois supérieure à la traînée sur un objet entièrement immergé. Image gracieuseté de Harris Lab. Crédit : Harris Lab.
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.
Plus d’information:
Robert Hunt et al. Dessinent sur une sphère partiellement immergée sur un compteur capillaire, Fluides d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevFluids.8.084003
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Les scientifiques ont observé la peinture sécher : les motifs déroutants ont révélé un monde de mouvement et de mystère.
Les chercheurs ont découvert que le motif de la peinture séchée est affecté par la concentration du pigment et la température à laquelle elle sèche. Etudier à l’ACS Langmuir Il a révélé que les gouttelettes contenant moins de pigment ou placées sur des surfaces froides ressemblaient à des « œufs au plat » une fois séchées, tandis que celles contenant plus de pigment ou séchées à des températures plus élevées semblaient plus uniformes. Les résultats indiquent qu’en ajustant la concentration en pigment et la température de séchage, on peut contrôler l’aspect final de la peinture séchée.
Le modèle de séchage de la peinture est affecté par la concentration du pigment et la température de séchage, les ajustements de ces facteurs permettant de contrôler l’apparence finale de la peinture.
Un déversement de café laisse une tache sombre sur le pourtour de la flaque d’eau lorsqu’il sèche. Mais lorsque la peinture sèche, certains ressemblent à des « œufs au plat », avec des « jaunes » colorés entourés de halos d’un blanc pur, tandis que d’autres semblent uniformes. Pour comprendre cet écart, les chercheurs rapportent dans la revue ACS Langmuir Regardez littéralement la peinture sécher. Ils ont découvert que la concentration et la température des pigments affectent la façon dont le liquide cristallise et s’évapore, informations qui peuvent aider à contrôler les motifs de la peinture séchée.
La peinture contient un mélange de matériaux, notamment des résines, des pigments, des additifs et des solvants tels que l’eau. En raison de la composition complexe de la peinture, diverses réactions chimiques jouent un rôle lorsque les gouttelettes de peinture s’évaporent, ce qui peut parfois conduire à des motifs indésirables ou à des microfissures. En général, les artistes et les peintres en bâtiment souhaitent une répartition uniforme des pigments après avoir appliqué la peinture sur la surface. Mais on ne sait pas vraiment comment éviter la formation de motifs lorsque le liquide sèche. Ainsi, Stella Ramos, Catherine Barentin et leurs collègues ont voulu étudier les facteurs qui affectent l’évaporation de la peinture à l’eau.
À mesure que les gouttes de peinture sèchent, elles peuvent ressembler à un « œuf au plat » (image de gauche, la barre d’échelle est d’un millimètre) ou développer une répartition plus uniforme du pigment (image de droite). Crédit : Adapté de Langmuir 2023, DOI : 10.1021/acs.langmuir.3c01605
Les chercheurs ont préparé cinq mélanges de peinture acrylique à base d’eau et d’eau, puis ont déposé les solutions sur des lames de verre chauffées. Au fur et à mesure de l’évaporation du liquide, ils ont analysé et photographié le sédiment, et ont observé trois phénomènes :
- Initialement, il y avait des flux de liquide entrants et sortants concurrents : flux entrant du substrat chaud vers le sommet plus froid de la goutte, et retrait vers l’extérieur du flux capillaire.
- Finalement, la gélification de la suspension de peinture augmente la viscosité et ralentit le mouvement du pigment.
- L’étape finale de séchage maintient les colorants en place sur la surface de la lame.
La quantité de pigment et la température de la surface du verre affectaient la taille, la forme et le motif des gouttelettes de peinture séchées. Les chercheurs ont constaté que des gouttelettes contenant des concentrations de colorant plus faibles se déposaient sur la surface à la température la plus basse de 86 degrés. F Les particules colorées s’accumulent au centre, lui donnant un aspect « œuf au plat ». Avec plus de pigments et des températures plus élevées allant jusqu’à 176°F, le motif séché est devenu plus uniforme et avait une répartition uniforme de la couleur sur tout le cercle.
Pour contrôler l’apparence de la peinture séchée, la concentration en pigments et la température de la surface peuvent être ajustées en fonction du motif final souhaité, expliquent les chercheurs.
Référence : « Séchage des gouttes de peinture en suspension : des « œufs au plat » aux motifs semi-homogènes » par Stella M. M. Ramos, Damien Suberand, Rémi Volkrand et Katherine Barentin, 14 septembre 2023, Langmuir.
est ce que je: 10.1021/acs.langmuir.3c01605
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Champs de glace, lait glaciaire et montée des mers
Cette image de Copernicus Sentinel-2 montre des glaciers et des lacs dans le champ de glace du sud de la Patagonie, entre le Chili et l’Argentine. En tant qu’indicateurs critiques du changement climatique, le retrait de ces glaciers au cours des dernières décennies a des conséquences sur l’élévation du niveau de la mer. Crédit : Contient des données Copernicus Sentinel modifiées (2023), traitées par l’Agence spatiale européenne, CC BY-SA 3.0 IGO
Le champ de glace du sud de la Patagonie, qui s’étend entre le Chili et l’Argentine, est l’une des plus grandes masses de glace en dehors des régions polaires. Une image récente de Copernicus Sentinel-2 met en évidence de superbes glaciers et lacs aigue-marine.
Une partie du champ de glace du sud de la Patagonie avec ses glaciers blancs et ses lacs aigue-marine est montrée sur cette image Copernicus Sentinel-2 prise le 10 janvier 2023.
Le champ de glace, qui chevauche la frontière du Chili et de l’Argentine, s’étend sur plus de 350 kilomètres (220 miles) à travers les Andes de Patagonie et constitue l’une des plus grandes masses de glace sur Terre en dehors des régions polaires.
Composition et caractéristiques du champ de glace
Les champs de glace sont formés par des accumulations de neige qui se transforment en glace au cours des années de compression et de gel. Façonnés par la topographie sous-jacente, les glaciers se forment souvent aux bords d’un champ de glace.
Sur cette image, la masse de glace alimente plusieurs glaciers plus petits et plus grands, dont le glacier Perito Moreno d’Argentine dans le coin supérieur droit. Perito Moreno se trouve sur un canal étroit, alimentant le lac Argentino et formant un barrage de glace qui sépare le corps principal du lac, représenté ci-dessus en turquoise, de son bras sud, représenté en gris.
Lacs, sédiments et glaciers
De nombreux lacs de la région sont alimentés par l’eau provenant de la fonte des glaciers. La couleur de l’eau varie du bleu foncé au gris en fonction de la quantité de sédiments fins en suspension présents. Ces dépôts sont appelés « lait glaciaire » et sont le résultat de l’érosion lorsque les glaciers coulent sur la roche sous-jacente.
Le plus grand glacier visible dans la partie inférieure de l’image est le glacier Grey, dont l’extrémité est divisée en trois parcelles de terrain. Il est situé dans le parc national Torres del Paine., L’une des plus grandes entreprises du Chili. Le nom du parc vient des trois pics de granit distinctifs de Torres del Paine, qui apparaissent dans le coin inférieur droit de l’image.
Morens et indicateurs du changement climatique
Les lignes sombres qui suivent l’écoulement de la plupart des glaciers sont des moraines : des accumulations de roches, de terre et d’autres débris déposés par le glacier. En regardant de plus près l’extrémité de certains glaciers, nous pouvons voir comment les icebergs se sont détachés et flottent désormais dans les fjords et les lacs.
Les glaciers sont les plus grands réservoirs d’eau douce de notre planète. La vitesse à laquelle ils peuvent fondre ou croître est l’un des meilleurs indicateurs du changement climatique. La disparition des glaciers est l’une des principales causes de l’élévation du niveau de la mer. De nombreux glaciers de Patagonie ont reculé au cours des 50 dernières années. Les données satellitaires peuvent aider à surveiller les changements dans la masse, l’étendue et l’épaisseur des glaciers, et donc leur contribution à l’élévation du niveau de la mer.
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La dernière super lune de 2023 est la Harvest Moon de cette année, visible vendredi – The Irish Times
La dernière super lune de 2023 sera visible vendredi soir, avec une vue légèrement plus basse samedi.
Une super lune se produit lorsque la Lune est à son point le plus proche de la Terre. En conséquence, elle peut paraître jusqu’à 30 % plus brillante que lorsqu’elle est à son point le plus éloigné, ce qui signifie qu’il s’agit de la pleine lune la plus grande et la plus brillante que les gens auront jamais vue.
L’Autorité irlandaise d’astronomie a exhorté les gens à sortir pour voir la dernière super lune de 2023, ajoutant qu’elle apparaîtra « presque aussi belle samedi » qu’elle décroît.
« L’équinoxe a eu lieu le 23 septembre et la pleine lune la plus proche de cette date est appelée la Lune des récoltes. Ce n’est donc pas seulement la Lune des récoltes de cette année, c’est aussi la quatrième et dernière super lune de 2023 », a déclaré David Moore, rédacteur en chef. de l’astronomie irlandaise.
Journal d’astronomie irlandaise Les gens sont invités à soumettre des photos ou des commentaires écrits de leurs observations qui seront publiés dans une revue spéciale de l’événement.
[ Super blue moon in pictures: From Dublin to Istanbul ]
« Le meilleur moment pour observer est au lever de la lune, qui correspond au coucher du soleil, lorsqu’un autre effet appelé « illusion de la lune » entre en jeu, qui peut faire « apparaître » la lune plus grande à la combinaison œil/cerveau humain. » dit M. Moore.
« Les gens deviennent très créatifs lors de ce ‘super lever de lune’ et font la queue devant des bâtiments, des sculptures, des paysages et même des amis et des familles pour prendre des photos très créatives. Nous souhaitons les présenter dans le magazine Astronomy Ireland et nous espérons que les gens les diffuseront. l’île et nous envoient leurs plus belles photos pour la question de la lune », a-t-il déclaré. Notre géant.
Le meilleur moment pour voir la lune est le vendredi à partir de 19h18 en Irlande. Samedi, la lune se lèvera à 19h31.
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