布朗流体动力学研究人员揭示了部分浸没的物体如何经历阻力

所有流体动力学中最常见和最实用的实验之一是将物体保持在空气中或将其完全浸入水下，将其暴露在稳定的流中以测量其阻力形式的阻力。对阻力的研究促进了飞机和车辆设计的技术进步，甚至增进了我们对环境过程的理解。

如今这更加困难了。作为流体动力学研究最深入的方面之一，从这些经典实验中收集或详细介绍阻力简单物理的新信息变得很困难。但由布朗大学科学家领导的工程师团队成功地将这个问题带到了表面——即水面上。

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《物理评论流体》 的一篇 新论文描述了研究人员在实验室中创建了一条类似河流的小通道，并将由不同防水材料制成的球体放入溪流中，直到它们几乎完全被流动的水淹没。

实验结果说明了一个基本的(有时是违反直觉的)机制：部分浸没的物体上的阻力可能比相同材料制成的完全浸没的物体上的阻力大几倍。

例如，由布朗大学工程师罗伯特·亨特和丹尼尔·哈里斯领导的研究人员发现，无论球体材料的防水性如何，球体一接触到水，阻力就会增加。每次，阻力的增加都大大超过预期，并且随着球体的降低而继续增加，直到球体完全浸入水下时阻力才开始下降。

布朗大学工程学院助理教授哈里斯说：“在这个中间阶段，球体进入水中会产生最大的扰动，因此阻力比在水面以下时要强得多。” “我们知道当球体降低时阻力会上升，因为它们阻挡了更多的稳定流，但令人惊讶的是它上升的幅度。然后，当你继续将球体推得更深时，阻力就会回落。”

研究表明，部分浸没物体上的阻力可能比完全浸没物体上的阻力大三到四倍。例如，最大的阻力是在球体完全淹没之前测量的，这意味着水在球体周围流动，但表面仍然有一个小干点突出。

“你可能会认为球体在水中的比例与阻力的大小相对应，”哈里斯实验室的博士后研究员、该研究的第一作者亨特说。“如果是这样，那么你可能会天真地近似阻力，说如果球体几乎 100% 在水中，那么阻力几乎与完全浸入水面下相同。我们发现阻力实际上可能比这个大得多——不是 50%，而是 300% 或 400%。”

研究人员还发现，球体的防水程度对其所经历的阻力起着关键作用。这就是事情变得有点违反直觉的地方。

该实验使用了三个球体，除了其中一个球体涂有超疏水材料，使其非常防水，而其他球体则由防水性越来越差的材料制成之外，这三个球体在其他方面都相同。

通过实验，研究人员发现超疏水涂层比其他两个球体遇到了更多的阻力。这是一个惊喜，因为他们的预期恰恰相反。

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