Water houdt een kogel gemakkelijk tegen, maar het kan niet voorkomen dat een bal in een luchtbel zinkt.

Dit is het opmerkelijke resultaat van een reeks experimenten die voor het eerst hebben aangetoond dat objecten in water zinken met bijna nul weerstand, eindelijk een 18e-eeuwse theorie in de natuurkunde bewijzen.

Zwemmers ervaren het, vissen hebben hun slanke vormen ontwikkeld om het te minimaliseren, schepen worden er door afgeremd, en onderzeeërs gebruiken grote hoeveelheden energie om het te verslaan. Drag vertraagt ​​alles in het water, en het verwijderen ervan is de heilige graal van de vloeistofmechanica.

Verbeteringen van slechts 5 of 10 procent minder luchtweerstand kunnen een grote invloed hebben op het brandstofverbruik en de snelheid, maar wat als je de luchtweerstand met 1000 procent vermindert?

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Melbourne, Kind Abdullah University of Science and Technology Saudi-Arabië, en het Institute of High Performance Computing in Singapore hebben het gekraakt. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Het experiment ziet er eenvoudig uit. Laat een metalen bal van 2 centimeter breed in een diep bad vallen. De bal vormt een grote gasbel in de vorm van een langwerpige traan om zich heen en dan zakt de bal-plus-bel in elkaar. Reken maar uit en het blijkt dat deze bal tien keer minder weerstand ondervindt dan een vast object met dezelfde vorm.

Het ziet er eenvoudig uit, maar dat is het niet. Dit experiment vereist een zeer specifieke reeks voorwaarden, en het team heeft jaren besteed aan het begrijpen van de theoretische basis.

Het begint met de bal, of om precies te zijn, twee ballen.

"Er zijn twee manieren waarop we deze gaslagen kunnen creëren, " zegt professor Derek Chan, een wiskundige van de Universiteit van Melbourne, en een van de studieleiders.

"De eerste is om een ​​metalen bol tot een zeer hoge temperatuur te verhitten, en de tweede is om een ​​superhydrofoob oppervlak te gebruiken.

"Voor het eerst, we verhitten de bal tot 400 graden Celsius, en we verwarmen het water tot 95 graden Celsius - net onder het kookpunt.

"Als de bal het water raakt, kookt er direct een kleine hoeveelheid water omheen, waardoor een laagje waterdamp ontstaat. Bij de juiste combinatie van bal- en watertemperaturen wordt deze laag stabiel, dus de bal is volledig ingesloten in het gas. We noemen dit een Leidenfrost-toestand."

Dit is de 'binnenstebuiten'-versie van het fenomeen dat de meeste koks regelmatig zouden zien wanneer ze kleine hoeveelheden water toevoegen aan een zeer hete pan, en de waterdruppels spatten over de pan, omdat ze worden verhoogd door een dampfilm die wordt ondersteund door het hete oppervlak.

De tweede soort bal werkt door het water eromheen af ​​te stoten. Hydrofoob betekent letterlijk 'waterhaten'. Denk aan waterkralen en het lopen van een Goretex-jas. En als iets superhydrofoob is, die haat zit diep.

De bal is gecoat in een product genaamd Glaco Mirror Coat Zero, het wordt eigenlijk verkocht als een spray-on waterafstotende coating voor zijspiegels op auto's. Het is zo effectief in het afstoten van water dat de bal onder de juiste omstandigheden een gaslaag tussen zichzelf en het water behoudt, zelfs wanneer deze volledig onder water is.

"Het voordeel van de superhydrofobe coating is dat het werkt in water bij kamertemperatuur, ’ zegt professor Chan.

Dr. Ivan Vakarelski en professor Sigurdur Thoroddsen, die het King Abdullah University-deel van het team leiden, zeggen dat er veel manieren zijn om de weerstand te verminderen.

"Dimples op golfballen is een voorbeeld, zoals het patroon op de huid van een haai, ", zegt dr. Vakarelski.

"Het loslaten van luchtbellen voor een object dat in water beweegt, kan de weerstand aanzienlijk verminderen, net als het gebruik van een hydrofoob oppervlak."

Professor Thoroddsen zegt dat het idee achter al deze strategieën is om de manier te veranderen waarop de vloeistof - zoals water of lucht - rond het object stroomt, vooral direct naast het object, op wat de grenslaag wordt genoemd.

"In onze eerdere experimenten, we hebben stabiele gaslagen rond deze ballen, maar ze waren minder dan 1 millimeter dik, " hij zegt.

"Dit hielp om de luchtweerstand met 10 of 20 procent te verminderen, maar dit was niet genoeg, dus begonnen we na te denken over manieren om een ​​grotere luchtbel rond deze ballen te creëren."

Ze begonnen de ballen van verschillende hoogtes te laten vallen, en ontdekte dat op precies de juiste hoogtes, er is een grote gasholte rond de bal gemaakt, en deze vorm bleef behouden terwijl de bal door het water zonk.

Dr. Evert Klaseboer van het Institute of High Performance Computing en professor Chan die de theoretische analyse en modellering deed, zijn enthousiast over hoe deze ontdekking een puur theoretisch concept heeft aangenomen en werkelijkheid heeft gemaakt.

"Er is een bekende theorie op dit gebied, dat de weerstandskracht op een ideaal object, met een slipvrij oppervlak, zal tot nul dalen, ", zegt dr. Klaseboer.

"Dit is de bekende Paradox van d'Alembert en ons resultaat is een 21e-eeuwse realisatie van een 18e-eeuws theoretisch resultaat.

"In de studie van vloeistofdynamica, we hebben altijd een hypothetische bol gebruikt omdat we tot nu toe geen object met een slipvrij oppervlak hebben kunnen maken.

"De beweging van ballen, zoals de eerder genoemde golfbal, is onmogelijk te voorspellen met een wiskundige formule vanwege de chaotische werking van turbulentie, maar de bol-in-holte heeft geen turbulentie en kan worden beschreven door zeer eenvoudige vergelijkingen. Het zou een schoolvoorbeeld kunnen worden van enkele fundamentele hydrodynamische theorieën."

Dit onderzoek heeft belangrijke implicaties voor de ontwikkeling van energiezuinige scheepsvoertuigen.

"De huidige technologieën zijn afhankelijk van de injectie van gasbellen nabij de romp, ’ zegt professor Chang.

"Ook in ontwikkeling zijn voertuigen met een superhydrofoob oppervlak dat van nature dunne luchtlagen kan dragen.

"Deze technologieën kunnen een luchtweerstandsvermindering van 10 of misschien wel 20 procent bereiken, terwijl ons experiment aantoont dat in het beste geval, een orde van grootte reductie mogelijk is.

"Dit stelt nu het doel voor toekomstig onderzoek op dit gebied."