차갑지 않은 얼음은 하키공과 같은 고체가 부드럽게 미끌어질 수 있게 하는 얇은 수막으로 덮여 있다. 이제 사우디 아라비아의 킹압둘라 과학 기술 대학의 연구진은 얼음 표면이 얼음으로 덮여있는 물체의 운동이 물을 통과하는 것을 용이하게 해준다는 것을 발견하였다. 이들 연구진은 얼음으로 덮인 구를 물기둥 안에서 떨어뜨리고 동일한 크기와 평균 밀도를 가진 금속이나 세라믹 구와 비교한 결과 얼음으로 덮인 구가 훨씬 저항을 덜 받는다는 것을 발견하였다. 얼음 표면이 녹으면서 구 후면의 난류 후류를 줄이게 되는 것이다. 이 결과는 얼음같이 차가운 바다에서 움직이는 빙산이나 선박의 움직임을 이해하는데 중요할 수 있을 것이다.

 

액체를 통해서 물체가 충분히 빠르게 움직일 때, 물체의 속도를 줄이는 저항은 난류 후류의 크기에 의해 제어된다. 물체가 특정한 임계 속도 이상으로 가속되면 난류 영역은 갑자기 좁아져 줄어든 저항을 만들어낸다. 이런 변이는 저항 위기라고 불린다. 선박, 비행기 및 골프볼의 저항을 줄이기 위해서, 엔지니어들은 딤플 또는 다른 방법으로 표면에 조직구조를 만들어 더 낮은 속도에서 저항 위기가 발생하도록 만들 수 있다. 사이디 아라비아의 킹 압둘라 과학 기술 대학의 연구진은 이제 이런 저항 위기를 촉진시킬 수 있는 다른 방법을 발견하였다.

 

이들 연구진은 고체 금속공과 비교하여 액체를 통하여 떨어지는 얼음공의 저항 위기가 더 낮은 속도에서 발생한다는 것을 관측하였다. 이들 연구진은 이 효과가 저항 위기의 불완전한 물리 이해에 대한 직관을 제공할 뿐만 아니라 또한 자연 및 기술에서 실질적인 결과를 제공하여 줄 수 있을 것으로 믿고 있다. 순수한 얼음공은 물 속에서 부유할 것이다. 따라서 연구자들은 40밀리미터 직경의 강철 또는 텅스텐 카바이드공 주위에 10밀리미터 두께의 얼음 껍질을 영하 10도에서 발생시켰다.

 

이들 연구진은 준비된 공을 2.4미터 높이의 물탱크 안에서 떨어뜨리고 초고속 카메라로 낙하를 녹음하였다. 비교를 위해서, 이들 연구진은 또한 무거운 코어 아이스 공으로서 선정된 동일한 크기 및 평균 밀도를 가진 강철 또는 강철/알루미늄 공을 관찰하였다. 다른 밀도의 공들은 다른 속도로 낙하하였으며, 이들 연구진은 모든 공은 특정한 속도에서 급격한 저항의 감소를 보여주었다. 이것은 저항 위기의 시작을 나타내는 것이다.

 

그러나 이런 임계치는 금속 공보다 얼음공에서 더 낮게 나타났다. 두 임계치 사이의 속도에서, 얼음공의 저항은 50% 더 작을 수 있다. 연구진은 또한 아이스층에 염료를 집어넣어 흐름을 시각화하였다. 연구진은 속도가 저항 위기 임계치보다 높아지게 되면 공의 후면 난류 영역이 더 좁아지는 것을 관측할 수 있었다.

 

표면에서 녹는 층의 전형적인 두께로부터, 이들 연구진은 더 낮은 저항 위기가 표면 박막으로부터 물이 주위의 유체로 전이되어 발생한다는 계산을 하였다. 이들 연구진이 아이스공을 더 온도가 낮은 물 안으로 떨어뜨림으로써 표면 녹는 속도를 줄였을 때, 공은 더 천천히 낙하하여 녹는 것과 저항 위기 이면 사이의 관계를 지지하였다. 이런 얼음 표면층의 녹는 영향은 놀라운 것이라고 연구진은 말하였다. 물 속에서 얼음의 유체 역학이 다른 고체 물질의 그것과 다를 것이라고 예상되는 선험적 이유는 존재하지 않는다. 공기 중에서 얼음 위로 미끌어지는 고체의 경우와는 달리 표면 박막은 주위의 물과 동일하기 때문이다. 그러나 이런 직관은 틀리다는 것이 이들 연구진의 연구 결과 밝혀졌다.

 

이들 연구진은 그들의 결과가 얼어붙은 선체가 더 낮은 저항을 경험할 것이라는 것을 의미하며 더 따뜻한 기후에서 보통 발생하는 빙산의 움직임을 모델링하는데 적합할 수 있을 것이라고 말하였다. 더 일반적으로 그들의 연구가 미시적인 현상과 거시적인 현상의 새로운 연결을 가능하게 할 것이라고 이들 연구진은 덧붙였다. 프랑스 Ecole Normale Supérieure의 유체 역학 전문가인 Lydéric Bocquet은 얼음에 대한 저항 위기의 변이는 매우 중요한 연구 결과라고 말하였다. 이 결과의 실질적인 응용 가능성과 별개로, 고체 표면을 고속으로 지나가는 유체의 흐름은 아직 완전히 풀리지 않은 문제이며 이에 대한 정보는 기본적으로 흥미로운 것이라고 그는 덧붙였다. 이들의 연구 결과는Physical Review Letters 저널에 발표되었다.

 

첨부그림: 떨어지는 금속이 안에 들어 있는 얼음공의 후류는 더 낮은 속도(왼쪽)에서 더 넓고 더 높은 속도(오른쪽)에서 더 좁다. 더 좁은 후류는 물체의 방해 또는 저항 요소가 적은 상태에 해당한다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 28일]

 

 

Ice that isn’t too cold is covered with a thin layer of water that allows a solid, such as a hockey puck, to slide smoothly. Now a team of researchers has found that an ice surface also facilitates the motion of an ice-covered object through water. They dropped ice-covered spheres into a column of water and measured a substantial drag reduction, compared with metal or ceramic balls of the same size and average density. The melting of the ice surface reduces the turbulent wake behind the sphere, they found, a result that could be important for understanding the motion of icebergs and ships traveling in icy waters.

 

When an object is moving fast enough through liquid, the drag (slowing force) is controlled by the size of its turbulent wake. If the body accelerates above a certain threshold speed, the turbulent region abruptly narrows, leading to a reduced drag. This transition is called the drag crisis.

 

To lower the drag—often desirable for ships, airplanes, and golf balls—engineers can force the drag crisis to happen at lower speeds by texturing the surface with dimples or with other tricks. Ivan Vakarelski of the King Abdullah University of Science and Technology in Thuwal, Saudi Arabia, and colleagues have now found another way to promote the drag crisis. They observed that it occurs at lower speeds for a ball of ice falling through water, compared with a solid metal ball, thanks to the thin water layer at the ice surface produced by melting. The team believes that this effect not only provides insight into the imperfectly understood physics of the drag crisis but also might have some practical consequences in nature and in technology.

 

A pure ice ball would float in water, so the researchers froze a 10-mm-thick shell of ice around a 40-mm-diameter steel or tungsten carbide ball at −10∘C. “We adopted some ideas from commercial cocktail-drink ice ball makers,” says Vakarelski.

 

They dropped these balls into a 2.4-m-high tank of water and recorded their descent with a high-speed video camera. For comparison, they also watched the descent of steel or steel/aluminum balls of the same size and average density as the heavy-cored ice balls.

 

Balls of different density fall with different speeds, and Vakarelski and colleagues found that every ball showed an abrupt decline in drag at a certain speed, marking the onset of the drag crisis. But this threshold was lower for the ice balls than for the metal balls. At speeds between the two thresholds, the ice ball drag could be more than 50% lower. The team also put dye in the ice layer to image the flow and could see the narrowing of the turbulent region behind the spheres when the speed went above the drag crisis threshold.

 

From the typical thickness of the melted layer at the surface, the researchers calculated that the lower-speed drag crisis comes from the transfer of water from the surface film into the surrounding fluid. When the team reduced the surface melting rate by dropping ice balls into colder water, they fell more slowly, further supporting the connection between melting and the drag crisis threshold.

 

This influence of the melted surface layer of ice seems surprising, Vakarelski says. “There is no a priori reason to expect that the hydrodynamic drag of icy bodies in water should be different from that of other solid bodies,” because the surface film is the same as the ambient water, unlike the case of a solid sliding on ice in air. But this intuition is wrong, according to the team’s results.

 

Vakarelski says the results might imply that ships with frozen hulls would experience lower drag, and they may also be relevant for modeling drifting icebergs, which may be more common in a warming climate. More generally, he says, the work makes a new connection between microscopic and macroscopic phenomena (melting and drag).

 

Lydéric Bocquet, a specialist in fluid dynamics at the Ecole Normale Supérieure in Paris says that the shift of the drag crisis for ice is substantial and unexpected. And regardless of any practical applications of the results, problems where there is a high-speed flow of fluid past a solid surface “remain to a large extent very mysterious, and any new information on this is fundamentally interesting.”

[원문출처: http://physics.aps.org/articles/v8/73]