创新背景

在流体动力学领域，关于物体在流体中产生的阻力（或称之为阻力）的研究已经进行了很长时间，这是一个经常被研究和应用的主题，这种阻力研究的应用已经导致了飞机和汽车设计的技术进步，并加深了我们对环境过程的理解，例如，了解空气阻力对飞机设计至关重要，因为它关系到飞机的燃料效率和安全。

然而，这一主题已经被科学家们进行了非常深入的研究，导致从经典实验中获取或详述有关阻力简单物理性质的新信息变得很难，这些传统实验通常涉及将物体完全暴露在流体中，无论是空气还是水，以测量其阻力。

不过，布朗大学的科学家和工程师决定采用一种新颖的方法来研究这一问题，相反，他们选择专注于部分浸入流体的物体，尤其是当这个物体几乎完全浸入水中，但并没有完全浸入时，这种方法开辟了一个新的研究领域，因为它考虑了在物体部分浸入水面时发生的复杂物理过程。

创新过程

布朗大学的研究者在实验室里创建了一个类似于小河的流道，用来模拟持续流动的水，并选择了由不同水排斥材料制成的球体，然后，他们开始将这些球体降入流动的水中，直到球体几乎完全被流水浸没。

在实验过程中，研究者详细记录了球体与流水接触的时刻，以及球体在不同深度下的阻力情况，他们发现，当球体接触到水面时，不论球体材料的水排斥性如何，阻力都会增加，而且，每次当球体被降低时，阻力都会显著增加，直到球体完全沉入水下，阻力才开始下降。

研究者还对球体的水排斥性进行了考察，他们使用了三种不同的球体，其中一个涂有超疏水材料，而其他两个球体则使用了逐渐减少的水排斥材料，令人惊讶的是，超疏水材料的球体在几乎完全浸入水中时所产生的阻力，比其他任何水排斥材料的球体都要大。

为了解释这一现象，研究团队提出了一个基本的物理原理，他们认为，当超疏水材料的球体接触到水时，水会尽可能地避开球体，形成一个水墙，使球体直接撞击到这堵墙，导致阻力大幅增加。

亚克力球的平均阻力（d=12.7毫米），五种速度 （U=18.5,20.8,23.7,26.2,29.5cm/s）

此外，布朗大学的Hunt和其他实验室成员设计了一个用于创建水流实验的沟槽装置，并编程了一个电机提升系统，将球体降入水道。

最后，与布朗大学的工程学院的Yuri Bazilevs教授合作，实验还包括来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究者，他们进行了计算机模拟。

创新价值

提高交通工具设计的效率与安全性：对流体动力学中的阻力进行深入研究对飞机和车辆设计有着直接的应用价值，了解物体在水中的阻力变化，尤其是在部分浸没状态下的阻力，可以为水上交通工具如船只、潜艇、水上飞机等的设计提供关键信息，从而实现更高效、更安全的设计。

增进环境过程的理解：对阻力的研究还可以增进我们对环境过程的理解，例如河流中的物体移动、洋流对海洋生物分布的影响以及其他与流体动态相关的自然过程。

对新型技术的启示：这项研究揭示了超疏水材料在某些情境下可能并不如预期那样减少阻力，这为那些正在考虑使用这种材料来降低阻力的技术提供了重要的反思。

空气与水交界面上的应用：这项研究的发现未来可能对于在空气和水交界面操作的设计和结构产生影响，例如小型自主车辆的设计，了解这些交界面上的物理属性可以为这些技术的研发提供方向。

丰富流体动力学领域的理论：虽然阻力已经被广泛研究，但关于部分浸没物体的阻力研究在领域中并不常见，这意味着这项研究填补了流体动力学领域的一个知识空白，并为后续的研究提供了基础。

为更复杂形状物体的研究奠定基础：通过选择简单的球体作为研究对象，研究者成功地将物理机制剥离到其最基本的原则，这为后续研究更复杂的形状和结构提供了起点。

创新关键点

研究者在实验室中创建了一个小型河流通道，并将由不同水排斥材料制成的球体降入流水中，直至它们几乎完全被流水浸没。与传统的全浸没或空气中的阻力实验不同，这一新方法揭示了一些出人意料的发现：部分浸没的物体所经受的阻力可能比完全浸没的物体要大得多；此外，尽管超疏水材料通常被认为可以减少阻力，但实验结果表明，几乎完全浸没的超疏水球体所受到的阻力实际上比其他材料制成的球体更大。