Шероховатость вместо гладкости. Японские ученые снизили сопротивление воздуха на 43%, сделав поверхность слегка неровной
Исследователи из Университета Тохоку в Японии под руководством доцента Айко Якено совершили открытие, опровергающее одно из главных правил аэродинамики , действовавшее более 80 лет.
Считалось, что чем более гладкой является поверхность объекта, тем меньшему сопротивлению воздуха он подвергается. Команда доказала , что это правило работает не всегда, нанеся на поверхность тестовой модели особую микроскопическую текстуру — так называемую Distributed Micro-Roughness (DMR).
Проще говоря, это хаотичные, невидимые для человеческого глаза неровности, которые снизили сопротивление воздуха на целых 43,6%. Это первое в мире экспериментальное подтверждение подобного эффекта, который в будущем обещает революцию в авиации, автомобиле- и судостроении, а также на железнодорожном транспорте, помогая экономить топливо и радикально сокращать выбросы CO₂.
Чтобы зафиксировать столь тонкий эффект, ученым пришлось использовать уникальное оборудование — метровую систему магнитной левитации (MSBS), одну из крупнейших и самых современных в мире. Она удерживала тестовую модель в воздухе исключительно с помощью мощных электромагнитных сил, полностью обходясь без каких-либо креплений, стержней или опор.
Любая обычная опора, как правило, создает собственное дополнительное сопротивление и «маскирует» результат, но благодаря левитации модель вела себя так, словно свободно летит в реальном пространстве, — достичь такой точности в обычной аэродинамической трубе просто невозможно.
Помимо сложного эксперимента, команда провела детальное компьютерное моделирование воздушного потока, чтобы понять физические процессы на уровне микроструктур. Исследователи выяснили, что механизм работы этой текстуры кардинально отличается от принципа действия углублений на мяче для гольфа, которые лишь смещают точку отрыва воздушного потока. Текстура DMR действует иначе: миниатюрные неровности подавляют трение непосредственно на поверхности модели.
Интересно, что по научным стандартам эта поверхность технически всё равно остается гладкой, поскольку высота неровностей настолько мала, что не превышает критический порог шероховатости. Эффект отлично проявил себя даже при самых высоких скоростях потока, доказывая, что снижение сопротивления эффективно работает в турбулентном режиме движения воздуха.
Как объясняет Айко Якено, когда поток воздуха обтекает, например, крыло самолета, он переходит из упорядоченного ламинарного состояния в хаотичное турбулентное движение — а снижение энергии этого хаоса как раз и позволяет существенно сэкономить энергию движущегося объекта.