Výskumníci z Brown University vykonali vodný experiment podobný brušným prepadom s použitím tupého valca, pričom k nemu pridali výrazný vibračný dotyk, ktorý nakoniec priniesol neintuitívne výsledky. Poďakovanie: John Antolek a Danielle Harris.
Všetci sme mali tú smolu, že sa nám nepodaril ponor v bazéne a skončili sme s boľavým bruškom – alebo sme to možno urobili zámerne, aby sme sa predviedli a rozhodnutie sme okamžite oľutovali. Náraz do vody v tejto polohe tela môže byť ako náraz do betónu a výsledkom sú modriny alebo (ak osoba spadne z väčšej výšky) vnútorné zranenia. Zatiaľ čo základná fyzika je dobre pochopená, vedci vždy hľadajú lepší pohľad na tento jav v nádeji, že nájdu nové spôsoby, ako zlepšiť účinok.
Vedci z Brownovej univerzity prekvapivo zistili, že pridanie trochy pružiny navyše k objektu, ktorý narazí do vody, môže za určitých podmienok v skutočnosti zvýšiť silu nárazu, a nie ju znížiť. Nový papier Publikované v časopise Journal of Fluid Mechanics. Dôsledky presahujú rámec ochrany potápačov; Lepšie pochopenie hydrodynamiky povedie k zlepšeným návrhom námorných plavidiel, hydroplánov alebo projektilov, ako aj autonómnych podvodných vozidiel.
Z fyzikálneho hľadiska hovoríme o pružnom tele narážajúcom na hladinu vody. Tlak, ktorý je výsledkom prechodu z prostredia vzduchu do prostredia hustejšej vody, pôsobí ohromnou silou, keď ho toto teleso vytláča. Súdržné sily medzi molekulami vody sú na povrchu silnejšie, čo sťažuje prienik. (Preto sa pri potápačských súťažiach často používajú prevzdušňovače na vytváranie bublín vo vode, čím sa preruší povrchové napätie, aby sa ochránilo potápačov.) Veľké množstvo kvapaliny sa musí v krátkom časovom rámci urýchliť (vytlačiť), aby zodpovedalo rýchlosti dopadajúceho telesa. Čím väčšia povrchová plocha predmetu dopadne na vodu, tým väčší odpor – a pri prepadnutí brucha bude oveľa väčšia povrchová plocha ako pri obyčajnom ponore labuťou, čo bude mať za následok charakteristický úder.
Vedci študujú tento jav už veľmi dlho, vrátane nedávnych prác o potápavých vtákoch, ako sú gáňky a rybáriky. Napriek stresu, ktorý je na ich telách namáhaný, sa gáňom a rybárom darí vykonávať tento výkon znova a znova bez zranení, najmä otrasov mozgu, čiastočne vďaka ich kužeľovitým zobákom, ktoré im umožňujú vstúpiť do vody bez vytvorenia tlakovej vlny pod hladinou. . Gannets tiež pri potápaní skladajú krídla dozadu, aby získali aerodynamický tvar.
Táto najnovšia štúdia sa zaoberá vplyvom ostrejších predmetov dopadajúcich na hladinu vody, pričom najväčší vplyv nastáva počas takzvanej fázy „úderu“. „Väčšina práce vykonanej v tomto priestore sa zameriava na pevné predmety, ktoré narážajú na vodu a ktorých celkový tvar sa v reakcii na náraz nemení ani nepohybuje.“ povedal spoluautor Daniel Harris Z Brownovej univerzity. „Otázky, na ktoré začíname odpovedať, sú: Čo ak je predmet, ktorý sa zrazí, taký pružný, že akonáhle pocíti silu, môže zmeniť tvar alebo sa deformovať?“ Ako to mení fyziku a, čo je dôležitejšie, sily, ktoré sú na týchto štruktúrach cítiť?
GT Antolic a kol., 2023
Pre svoje experimenty Harris a kol. Tenké, pevné nárazové zariadenie je skonštruované s ostrým nosom, ktorý drží pohromade flexibilné pružinové prvky vyrezané laserom z plastu. Pružiny by mali fungovať ako systém odpruženia auta, zmäkčujúce nárazy rozložením záťaže na dlhšie obdobie. Karoséria má palubný akcelerometer na meranie spomalenia nárazu, ako aj magnetickú guľu, aby bolo možné karosériu spúšťať z rôznych výšok pomocou elektromagnetu. Efekty s vodou boli osvetlené rozptýleným bielym podsvietením a natáčané pri vysokých rýchlostiach, aby sa zachytil pohyb rozhrania vzduch-voda.
Výsledky prekvapili vedcov, pretože pridanie elastických pružín do nárazového zariadenia nie vždy zmiernilo náraz v porovnaní s úplne tuhým nárazovým zariadením. Niekedy skutočne zvyšuje maximálnu silu pôsobiacu na telo. Následné experimenty odhalili, že v týchto prípadoch vibrácie generované nárazovým zariadením dopadajúcim na vodu niekedy spôsobili aj vibrácie pružín (harmonické kmitanie), čím sa zvýšila (skôr ako znížila) sila nárazu. Preto musia byť pružiny dostatočne mäkké, aby účinne absorbovali náraz bez toho, aby príliš vibrovali.
„Trup sa trasie tam a späť kvôli prudkému nárazu, takže sme získavali údaje z nárazu tekutiny, ktorá sa zráža a osciluje, keď sa trup sám trasie.“ povedal Harris. „Ak to neurobíte včas, môžete situáciu zhoršiť.“
Journal of Fluid Mechanics, 2023. DOI: 10.1017/jfm.2023.820 (O digitálnych identifikátoroch).
Výpisová fotografia od Johna Antoleka a Danielle Harris
„Organizátor. Spisovateľ. Zlý kávičkár. Evanjelista všeobecného jedla. Celoživotný fanúšik piva. Podnikateľ.“
