Dolphin VS Shark, gerçek sürükleme azaltma ustası kim?
"Direniş" hayatımızın her köşesine musallat olur ve çoğu zaman insanlara bazı sorunlara neden olur. Hava, su ve diğer sıvıları içeren herhangi bir hareket, sürtünme direnci sorunlarıyla karşılaşacaktır: yüzme yarışmalarında yüzücülerin performansını etkileyebilir ve otomobillerin, yüksek hızlı rayların, gemilerin, uçakların ve diğer araçların ve sıvı boru hatlarının tasarımına ve üretimine neden olabilir. meydan okuma.
İnsanlar uzun süredir çeşitli akışkanlar mekaniği teorilerini öğrenerek, mühendislik deneyimlerini özetleyerek ve akış direncini azaltmak için mümkün olan her şeyi yaparak beyinlerini mahvetti.
Bazıları, doğada binlerce yıldır vaftiz edilmiş canlıların, uzun bir doğal seleksiyon döneminden sonra çevreye uyum sağlamak için kademeli olarak çeşitli hilelerde ustalaştığını düşünür, doğrudan onlardan öğrenebiliriz, belki birçok sapmadan kaçabiliriz?
Gray'in yanlış kararı
1936'da İngiliz biyolog Gray, yunusların fizyolojik özelliklerine dayanarak, yunusların üretebileceği gücü tahmin etti ve inanılmaz bir keşif yaptı - bir yunus yüzdüğünde teorik olarak tüketilen enerji, gerçekte gıdalardan tükettiği enerjinin 7'sidir. Zamanlar!
Bu nedenle, yunusların derisinin özel direnç özelliklerine sahip olması gerektiği sonucuna vardı, bu da büyük deniz hayvanlarının epidermal yapısının büyük ölçekli ve derinlemesine bir çalışmasını derhal tetikledi.
Yunus derisinin dirence karşı özel bir direnci var mı? Görüntü kaynağı: Pixbay'dan
Amerikalı bilim adamlarından oluşan bir ekip, iki yunusun yüzdüğünü kaydettiği 2008 yılına kadar, 70 yılı aşkın bir süre sonra gerçekleşti. PIV (Particle Image Velocimetry) ve bir kuvvet ölçüm aracı ile birleştirilmiş bir su akışı teşhis platformu kullandılar ve yunus tarafından oluşturulan kuvvetin aslında Gray'in düşündüğünden çok daha büyük olduğunu ölçtüler. Sonunda, Gray'in yunus derisinin sürükleme azaltma performansını gerçekten abarttığı kanıtlandı.
Çin Bilimler Akademisi-Mühendislik Termofiziği Enstitüsü'nün PIV ölçüm cihazı. Fotoğraf çekimi: Zhang Ziliang
İmaj Kredisi: Rensselaer / Tim Wei
Soldaki resim normal bir kamera ile çekilmiş bir resimdir ve sağdaki resim PIV işlemeden sonraki bir resimdir. Ok su akışının yönünü ve renk hızı gösterir. Renk ne kadar koyu ise hız o kadar büyük olur. Kırmızı ve koyu mavi oklar en hızlı hareket eden suyu gösterir. .Sert cilt aynı zamanda gizemi de gizler
Pürüzsüz cildin çok az direnci vardır, bu hiç şüphesiz sağduyu gibi görünüyor. Bu nedenle bilim adamları, "yüzey ne kadar pürüzsüzse, akış direnci o kadar düşük olur" yolunda yavaş ilerlemektedir.
Şans eseri, aynı zamanda büyük bir su hayvanı olan köpekbalığının alışılmadık derecede sert bir deriye sahip olduğunu keşfettiler, ancak yüzmek için fazla çaba sarf etmediler.
Mikroskobun bakış açısıyla insanlar görür Köpekbalığı derisinin yüzeyi, elmas şeklinde düzenlenmiş bir kalkan terazisi tabakasıyla kaplıdır.Bu küçük ve keskin kalkan pulları yalnızca mikrometredir. . Yüzey, yaklaşık 50 um genişliğinde aşağı akış dikenli işlem tarafından oluşturulan bir oyuğa sahiptir.
1970'lerde, NASA'nın Langley Araştırma Merkezi'ndeki araştırmacılar, yüzeydeki küçük çıkıntıların akışının sürtünme direncini etkili bir şekilde azaltabileceğini keşfettiler. Aynı zamanda, belirli bir boyuta sahip bıçak şeklindeki bir çıkıntı, en iyi sürtünme azaltma şeklidir. Bu özellikler, köpekbalığı kalkanı pullarının V şeklindeki olukları ile tam olarak uyumludur ... Köpekbalığı pullarının görünüşte "bilim dışı" tasarımının aslında bilimsel ilkeleri gizlediği söylenmelidir.
Bu tür bir oluk yapısı, köpekbalıklarını sadece yaralanmaktan veya parazit olmaktan korumakla kalmaz, aynı zamanda akış sırasında sınır tabakasını sabit tutar, köpekbalıkları hızlı yüzerken yüzeyin sürtünme direncini azaltır ve daha hızlı yüzmelerini sağlar.
Okyanustaki soğukkanlı katil köpekbalığı. Pixabay'dan
Taramalı elektron mikroskobu ile gözlemlenen köpekbalığı derisi üzerinde kalkan pulları. Fotoğraf Kredisi: Pascal Deynat / Odontoba
Biyonik köpek balığı derisinin "köpekbalığını öldürüp deriyi alması" gerekir mi?
Bu keşif, yüzey ne kadar pürüzsüz olursa, direnç o kadar düşük olduğu şeklindeki geleneksel düşünce biçimini tamamen ortadan kaldırmaktadır.Yüzeyin, köpekbalığı kalkanı terazisi gibi uzunlamasına oluklar ve nervürlerle oluşturduğu sürükleme azaltma etkisi - yani "nervür direncinin azaltılması" türbülanslı hale gelmiştir. Sürtünmeyi azaltma teknolojisinde araştırma odağı.
Her ne kadar nervürlerin sürüklenmesini azaltmanın nedenleri ve ayrıntılı iç mekanizma henüz birleşik bir sonuca ulaşmamış olsa da. Ancak insanlar, köpekbalığı mikro ölçeklerini soyutlayarak, büyüterek ve basitleştirerek kaba biyonik köpekbalığı derisini işlediler ve bu da belirli bir sürtünme azaltma oranına ulaştı.
Köpekbalığı derisi mayo resmi. Bir üründen tanıtım resmi
Bununla birlikte, bu mayoların üretimi "köpekbalığı öldürme" değil, sürükleme azaltma etkileri elde etmek için "biyonik" gerektiriyor. Temel teknolojisi, köpekbalığı derisini taklit etmek için süper gerilmiş polimer elyaf malzemelerin kullanılmasında yatıyor, böylece sürtünme katsayısını düşürüyor.
Bu tür biyonikler nasıl gerçekleştirilir? Gördüğümüz şeyin sadece iki somut şey olduğu ortaya çıktı: köpekbalığı derisi ve mayolar ve deneyimli akışkan mekaniği mühendisleri uzun zamandır bunların özünü anladılar ve bakış açılarında sadece iki soyut "üçgen". Mayoyu ve köpek balığı derisini benzer hale getirmek için akışkanlar mekaniğindeki "üçgen benzerlik kriterini" geçmesi yeterlidir, böylece gerçek köpekbalığı derisinden yapılmış bir mayo giymeniz gerekmese bile, köpekbalığı derisinin benzer sürükleme azaltma performansına sahip olabilirsiniz.
Üçgenler benzer. Resim kaynağı:
Bu "benzerlik kriterinin" arkasındaki mekanizma, ikisinin belirli anahtar parametreleri arasındaki orantılı ilişkiyi kontrol ederek görünüşte bağımsız iki şey arasında ayrılmaz bir şekilde bağlantılı bir ilişki kurmaktır. Sürekli deney, karşılaştırma ve iyileştirme yoluyla, nihayet köpekbalığı derisinin sürükleme azaltma etkisine sonsuz derecede yakın bir "kopya" elde edilir ve böylece biyonik köpekbalığı derisi mayo tasarımı gerçekleştirilir.
Baş ağrısı sürtünme direnci ve biyonik köpekbalığı derisinin geleceği
Ancak, yüzme yarışmalarının yeni bir malzeme mayo ürün arenası haline gelmesini önlemek için FINA, Mayıs 2010'dan önce yüksek teknolojili mayoları küresel olarak yasaklamaya karar verdi.
Köpekbalığı derisi mayolarının yanı sıra, çeşitli alanlarda köpekbalığı derisi sürükleme azaltma teknolojisini uygulayabilirsek, düşük karbon ekonomisi ve enerji tasarrufu ve emisyon azaltımı sağlamanın da önemli bir yolu olabilir.
Gün batımında rüzgar türbini. Resim kaynağı: Pixabay'dan
Ancak biyonik tam bir taklit değildir, en önemli şey mekanizmayı anlamak, dönüştürmek ve özümsemek, daha ideal bir etki elde etmektir. Belki de sürüklemeyi azaltma sürecinde, insanların hala keşfedilecek pek çok bilinmeyen yolu vardır.
Kaynak: Ben bir bilim adamıyım iScientist
