Метаматеріали навчили «вимикати» сліди об'єктів у воді

Фізики розробили оболонку, яка за рахунок магнітогідродинамічних ефектів дозволяє повністю придушувати всі обурення потоку води навколо рухомих об'єктів. У роботі, опублікованій в, вчені також запропонували спосіб створення такого пристрою, який може виявитися корисним для кораблів і літаків.


Для зниження гідродинамічного опору навколо рухомого об'єкта зазвичай намагаються створити повітряний прошарок. Якщо крім зниження опору необхідно не порушити ламінарність потоку і придушити обурення рідини (тобто зробити так, щоб рухоме тіло не залишало після себе жодного сліду, наприклад, з метою маскування), потрібен трохи інший механізм. Рухоме тіло за рахунок додаткових сил розганяє тонкий шар рідини навколо себе, прирівнюючи прискорення рідини до прискорення самого тіла. Однак початкова концепція роботи такого пристрою, заснована на складній системі насосів, виявилася досить складною для практичної реалізації.


Дін Калвер (Dean Culver) і Ярослав Уржумов (Yaroslav Urzhumov) з Університету Дьюка в США запропонували замість суто гідродинамічного механізму використовувати для впливу на насичену іонами рідину електромагнітні поля. За допомогою чисельного моделювання вчені розглянули рух у провідній рідині циліндра, покритого додатковим магнітогідродинамічним шаром. Цей шар складався з масиву окремих елементів, які за рахунок сили Лоренца впливали на заряджені частинки в рідині і таким чином надавали їй додаткове прискорення.

Описавши цю систему рівняннями, що зв'язують гідродинамічні та електромагнітні компоненти сили, фізики змогли визначити такі конфігурації магнітогідродинамічного шару навколо циліндра, які при різних швидкостях практично повністю пригнічують обурення в рідині. Такі матеріали виявилися ефективними в досить великому діапазоні швидкостей і дозволяють скоротити обурення в сліді за тілом майже в 10 разів.

При досить невеликих швидкостях вдається повністю погасити обурення, так що за межами зовнішнього магнітогідродинамічного шару обурення абсолютно непомітні. Крім того, потік навколо тіла стає повністю ламінарним, і всі турбулентності теж пригнічуються. При великих швидкостях, деякі обурення поширюються навколо тіла на невелику відстань, але при цьому при зміні швидкості для придушення обурень не потрібно перебудовувати конфігурацію системи: одна і та ж конфігурація працює в широкому діапазоні швидкостей, якщо швидкість досить велика.

Крім того, в роботі автори дослідження запропонували спосіб, як такий пристрій можна створити на практиці. Запропоновані системи автори роботи назвали активними магнітогідродинамічними метаматеріали (за аналогією з оптичними метаматеріалами, які впливають на оптичні властивості навколишнього середовища за допомогою своєї структури, а не хімічного складу).

Для того, щоб знизити гідродинамічний опір об'єктів зазвичай намагаються знизити частку контакту самого рухомого об'єкта з рідиною. Одним із способів зробити це - створення навколо об'єкта прошарку газу. На цьому принципі заснована, наприклад, дія кавітатора в головній частині торпед або патронів для підводної стрільби. Подібний механізм використовують і об'єкти з супергідрофобним покриттям на поверхні. Однак у будь-якому з цих випадків рухоме тіло не дозволяє позбутися обурення потоку рідини або газу навколо себе.

COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND