Se ha anulado un principio fundamental de la ingeniería aeronáutica

El arrastre aerodinámico es una "barrera" importante en aviones de alta velocidad, automóviles y trenes bala. Esto se debe a que un diseño con menor resistencia aerodinámica permite que el avión se mueva a velocidades más altas con menor energía.

Cuando una aeronave o una carrocería de automóvil se mueve a gran velocidad, se forma una fina capa de aire llamada "capa límite" en su superficie. Esta capa límite tiene dos estados: flujo laminar, en el que el aire fluye de forma ordenada, y flujo turbulento, que implica turbulencia.

Cuanto más tiempo se mantiene el aire en estado de flujo laminar con baja fricción, menor será la resistencia del aire, pero a medida que aumenta la velocidad del aire pasa a un flujo turbulento. La clave para reducir la resistencia aerodinámica es cómo retrasar esta transición a la turbulencia.

Durante más de 80 años, el principio de "la superficie de un objeto debe ser lisa" ha sido la premisa básica de la ingeniería aeronáutica en todo el mundo a fin de suprimir la transición a la turbulencia y reducir la resistencia aerodinámica. Esta premisa se basaba en los resultados de un estudio de 1940 de Ichiro Tani, un aerodinámico japonés que demostró cuantitativamente la relación entre la "rugosidad superficial" (un indicador del estado de la superficie mecanizada) y la transición turbulenta, argumentando que la tecnología de la fabricación de la rugosidad superficial es inevitable. laminar.

Sin embargo, en 1989 Tani reinterpretó los datos experimentales sobre tuberías de superficie rugosa obtenidas por el ingeniero de fluidos Johann Nikulase en los años 30, aportando una nueva perspectiva que "la rugosidad puede no sólo promover la transición turbulenta y aumentar la resistencia de los fluidos". Heredando esta idea, un grupo de investigación liderado por Yasuaki Kohama de la Universidad de Tohoku demostró experimentalmente en los años noventa que las superficies rugosas fibrosas, que tienen irregularidades fibrosas finas en su superficie, tienen el efecto de retrasar la transición en determinadas condiciones.

El propio equipo de investigación de la Universidad de Tohoku anunció recientemente un descubrimiento que avanza significativamente esta tendencia. Aiko Yakino, profesora asociada en el Instituto de Ciencia de los Fluidos de la Universidad de Tohoku, y su grupo de investigación fueron los primeros en el mundo en demostrar que la resistencia aerodinámica se puede reducir hasta un 43,6 por ciento simplemente aplicando micro-rugososidad distribuida (DMR), una rugosidad superficial tan fina.

Esta tecnología es fundamentalmente diferente del "proceso de arroyo (piel de tiburón)", que se conoce como una tecnología típica de reducción de la resistencia aerodinámica. El proceso del arroyo imita los surcos longitudinales hasta la piel del tiburón y, cortando surcos de aproximadamente 0,1 mm de ancho a lo largo de la dirección del flujo de aire, alinea los vórtices que se producen cerca de la superficie de la pared de las zonas de flujo de aire turbulentos. DMR, en cambio, retrasa el cambio de flujo laminar a flujo turbulento mediante irregularidades aleatorias y minúsculas. Las zonas de flujo que afecta y los mecanismos que emplea se basan en conceptos completamente distintos.

Medida precisa en un túnel de viento sin barras de soporte

Un factor clave en este logro fue el uso de un método de experimentación en túnel de viento distinto al anterior. Los experimentos convencionales del túnel de viento tenían limitaciones estructurales: las barras de soporte y los cables esenciales para soportar el modelo interrumpieron el flujo de aire, negando los minúsculos cambios en la resistencia del aire causados ​​por la rugosidad a microescala.

El sistema de equilibrio de soporte magnético de 1 metro mayor del mundo (1m-MSBS), propiedad del Instituto de Ciencia de Fluidos de la Universidad de Tohoku, ha resuelto fundamentalmente este problema. Este dispositivo puede levitar un modelo aerodinámico de aproximadamente 1,07 m de longitud dentro de un túnel de viento sin contacto con fuerza electromagnética. Al no utilizar barras de soporte ni otros medios, elimina completamente la interferencia con el flujo de aire alrededor del modelo.

Yakino y su equipo midieron con precisión el coeficiente de arrastre total en superficies lisas y recubiertas de DMR en una amplia gama de números de Reynolds (relación de fuerzas inerciales a viscosas que actúan sobre el fluido) (Re = 0,35 x 10⁶ a 3,6 x.