Stel je voor dat je van de ene kant van een zwembad naar de andere loopt. Elke stap kost veel inspanning - dat maakt wateraerobics zo'n effectieve lichaamsbeweging.

De weerstand die je voelt, wordt veroorzaakt door vloeiende wrijving - of weerstand - en het is dezelfde kracht die inwerkt op boten en andere objecten terwijl ze door water bewegen. Echter, zeevarende schepen zijn geëvolueerd naar vormen die gericht zijn op het minimaliseren van weerstand, en schepen zijn ontworpen met krachtige motoren die weerstand overwinnen om ze sneller en soepeler over de oceaan voort te stuwen.

Recenter, super hydrofobe oppervlakken (SHS) hebben de aandacht getrokken van wetenschappers die hun potentieel zien voor het verminderen van vloeistofwrijving. Maar zoals Paolo Luzzatto-Fegiz, professor werktuigbouwkunde aan de UC Santa Barbara, opmerkte:terwijl de basistheorie van deze oppervlakken degelijk is, hun real-world prestaties laten veel te wensen over.

Volgens Luzzatto-Fegiz, een expert in vloeistofdynamica, SHS combineert waterafstotende chemie met microschaalpatronen op een manier die het oppervlaktecontact met water in wezen vermindert. Echter, ze zijn op zijn best onbetrouwbaar gebleken, werkt vaak onregelmatig of werkt helemaal niet.

En nu, in onderzoek naar voren gebracht in de Proceedings van de National Academy of Sciences , Luzzatto-Fegiz en zijn collega's aan de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van Manchester hebben een belangrijke reden gevonden waarom.

theoretisch, super hydrofobe oppervlakken zijn effectief omdat ze kleine luchtbellen bevatten. Lucht is veel minder stroperig dan water, Luzzatto-Fegiz merkte op, dus het verminderen van de hoeveelheid water die in contact komt met het oppervlak zal de resulterende weerstand verminderen.

De voordelen van het verminderen van de weerstand zijn direct van invloed op het brandstofverbruik:hoe minder vloeistofwrijving een schip ervaart, hoe minder brandstof er nodig is om weerstand te overwinnen. En omdat de weerstand toeneemt met de snelheid, hoe sneller het schip beweegt, hoe meer brandstof het nodig heeft om de resulterende weerstand tegen te gaan.

Echter, bij het testen van de hypothese, wat zou, in theorie, laten een significante vermindering van de weerstand zien, resultaten van andere onderzoekers vonden vaak helemaal geen reductie, en in sommige gevallen, vertoonde een iets slechtere prestatie.

Dit was het probleem waar de wetenschappers hun hoofd aan krabden - totdat het bij Luzzatto-Fegiz opkwam dat oppervlakteactieve stoffen de oorzaak zouden kunnen zijn. Terwijl onderzoekers voor hem deze mogelijkheid hadden geïdentificeerd, hij en zijn team waren de eersten die het concept demonstreerden. Volgens numerieke simulaties en streng gecontroleerde experimenten, Luzzatto-Fegiz, et al, ontdekte dat zelfs kleine sporenhoeveelheden oppervlakteactieve stoffen - verbindingen die de oppervlaktespanning verminderen, zoals zeep, waren voldoende om een ​​onbalans te veroorzaken in de waterstroom langs het grensvlak met het oppervlak, resulterend in slepen.

Mysterie opgelost. Maar kan het probleem worden opgelost?

"Het belangrijkste idee is dat geen enkele vloeistof puur is, " zei Luzzatto-Fegiz. Oceanen en rivieren bevatten massa's natuurlijke en door de mens gemaakte oppervlakteactieve stoffen. Maar het kan mogelijk zijn om een ​​uitweg uit het probleem te vinden door de patronen van de SHS te veranderen, hij zei. Bijvoorbeeld, door langere groeven in de patronen te creëren die zijn uitgelijnd met de waterstroom, de opbouw van oppervlakteactieve stoffen die de vermindering van de weerstand op het oppervlak voorkomt, hoopt zich verder langs de lijn van de interface op, een deel van de weerstand verminderen.

De resultaten van dit experiment kunnen waardevolle kennis opleveren voor degenen die zeeschepen ontwerpen met het oog op brandstofefficiëntie. Vooral in de schaduw van de naderende regelgeving die de wereldwijde vloot van koopvaardijschepen ertoe zal verplichten duurdere maar schoner brandende brandstof aan te schaffen, het verminderen van de weerstand kan een grote bijdrage leveren aan het laag houden van de kosten voor schepen die de wereldzeeën bevaren, evenals de vervuilende bijproducten van de verbranding van fossiele brandstoffen te verminderen.

"Het verminderen van de luchtweerstand op het brandstofverbruik en dus op de uitstoot, inclusief zwavelverbindingen en CO2, ' zei Luzzatto-Fegiz.