Door hete bollen in viskeuze vloeistoffen te dompelen, wordt een manier onthuld om de vloeistofweerstand te verminderen zonder complexe technische procedures.

Het grillige wegschieten van waterdruppels rond zinderende braadpannen treedt op wanneer lagen ingesloten damp ervoor zorgen dat de druppels even gaan drijven. Een team van de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saoedi-Arabië, heeft aangetoond dat dit proces bekend als het Leidenfrost-effect, kan worden gebruikt om de weerstandskrachten waarmee objecten die door vloeistoffen reizen aanzienlijk te verminderen.

De speciale steken van een honkbal en de kuiltjes op golfballen zijn niet alleen cosmetisch. Bij voldoende snelheden deze ruwe texturen zorgen ervoor dat een dunne grenslaag van lucht die over de bol stroomt zich turbulent gedraagt ​​en de wrijving vermindert tot een niveau onder dat van gladde oppervlakken. Door deze zogenaamde drag-crisis kunnen deze ballen langere en stabielere banen bereiken.

Onlangs, Siggi Thorodsen, Hoogleraar Werktuigbouwkunde, en Ivan Vakarelski van KAUST onderzochten technieken om weerstand teweeg te brengen zonder het crisisfenomeen op te roepen. Ze bereikten dit door de gebruikelijke Leidenfrost-procedures om te keren en hete bollen onder te dompelen in vloeistoffen. Bij voldoende verdamping een damplaag gevormd die als smeermiddel fungeerde om de wrijving tussen vloeistof en vaste stof te verminderen. Dankzij deze benadering konden hete bollen twee keer zo snel bewegen als koelere bollen tijdens experimenten met vrije val.

Echter, zowel de weerstandscrisis als Leidenfrost-geïnduceerde levitatie vinden plaats onder een smal bereik van een parameter, bekend als het Reynoldsgetal, die vloeistofviscositeit en dichtheid relateert aan de grootte en snelheid van een reizende bol. In hun laatste werk, Vakarelski, Thoroddsen en medewerkers in Australië gebruikten vloeistoffen met unieke stabiliserende eigenschappen om de omstandigheden waaronder Leidenfrost-damplagen de weerstandskrachten verminderen dramatisch uit te breiden.

De onderzoekers lieten de gloeiende bollen in hoge verticale tanks met perfluorkoolwaterstoffen vallen, vloeistoffen die vaak als koelmiddel worden gebruikt en gemakkelijker verdampen dan water. Hogesnelheidsvideocamera's legden de vrije-valtrajecten vast van bollen in perfluorkoolwaterstoffen met sterk verschillende viscositeiten om een ​​reeks weerstandsomstandigheden te onderzoeken. Verrassend genoeg, de damplaag verminderde de wrijving veel meer dan verwacht, en deed dit met succes voor Reynolds-getallen die drie orden van grootte overspannen.

Modellering van dit proces onthulde dat het Leidenfrost-effect ervoor zorgde dat de vloeistof die rond de bol stroomt, wegglijdt en verschillende snelheden aanneemt. Thoroddsen legde uit dat, "Terwijl we langzaam meer slip introduceren, dit vermindert geleidelijk de weerstand. De partiële slip wordt bepaald door de relatieve viscositeit van de vloeistof en de gasmoleculen in de damplaag."

Het team verwacht dat damplagen die van nature aanwezig zijn op superhydrofobe oppervlakken, of geïnduceerd via belleninjectie, kan de ontwikkeling van onverwachte wrijvingssnijtechnieken stimuleren. "Deze experimenten geven slechts een bovengrens voor het verminderen van luchtweerstand - zodra ingenieurs de mogelijkheden zien, de potentiële uitbetaling kan groot zijn, ", voegde Thorodsen eraan toe.