Journal of Fluid Mechanics: Вот что происходит, когда мы неправильно ныряем

Каждый, кто хоть раз делал сальто вниз головой в бассейне, знает, что иногда это заканчивается тупым ударом, большим всплеском и жгучим ощущением в теле. Большинство людей не понимает, почему так происходит.

Дэниел Харрис знает. Доцент инженерного факультета Брауновского университета говорит, что физика, лежащая в основе этого явления, не слишком сложна. По его словам, происходит то, что силы, возникающие на поверхности воды, оказывают сильное сопротивление телу, внезапно переходящему из воздуха в воду, которая в этот момент скорее всего неподвижна.

Внезапно вода должна ускориться, чтобы догнать скорость падающего тела, — говорит Харрис, изучающий механику жидкостей.

Когда это происходит, вода с силой возвращает энергию вторгшемуся телу, что и приводит к характерному хлопку.

То, как и почему это происходит в механике жидкостей, важно не только для разработки призового сальто-мортале для соревнований или для рассказа о том, почему сальто-мортале так больно — это понимание критически важно для военно-морской и морской техники, где часто встречаются конструкции, которые должны выдерживать высокие ударные силы при столкновении воздуха с водой. По этой причине данное явление тщательно изучалось на протяжении последнего столетия. Однако в новом исследовании, проведенном совместно с учеными из Военно-морского центра подводных боевых действий в Ньюпорте и Университета Бригама Янга, исследовательская группа под руководством Харриса и аспиранта Брауна Джона Антолика обнаружила новые моменты.

Для проведения исследования, опубликованного в журнале Journal of Fluid Mechanics, ученые поставили эксперимент с водой, похожий на описанный выше, используя тупой цилиндр, но добавив к нему важный вибрирующий элемент, что в конечном итоге привело их к контринтуитивным выводам.

В большинстве работ, выполненных в этой области, рассматриваются жесткие тела, врезающиеся в воду, общая форма которых не изменяется и не движется в ответ на удар, — сказал Харрис.

Мы начинаем задаваться вопросами: А что, если ударяющийся объект гибкий, то есть, почувствовав силу, он может изменить форму или деформироваться? Как это изменит физику и, что еще важнее, силы, действующие на эти структуры?

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи прикрепили к корпусу цилиндра, называемого импактором, мягкий «нос» с системой гибких пружин.

Идея, поясняет Антолик, заключается в том, что пружины, которые в принципе действуют подобно подвеске автомобиля, должны смягчать удар, распределяя ударную нагрузку на более длительный период. Эта стратегия была предложена в качестве потенциального решения для уменьшения иногда катастрофических ударов при переходе с воздуха на воду, но лишь немногие эксперименты были посвящены изучению фундаментальной механики и физики.

В данном эксперименте исследователи многократно опускали цилиндр в неподвижную воду и анализировали как визуальные результаты, так и данные с датчиков, встроенных в цилиндр.

Именно здесь и произошло неожиданное.

Результаты показали, что хотя эта стратегия может быть эффективной, но, как ни странно, она не всегда смягчает удар. Более того, вопреки общепринятым представлениям, иногда более гибкая система может увеличить максимальную силу удара по телу по сравнению с полностью жесткой конструкцией.

Это заставило исследователей копнуть глубже. Проведя обширные эксперименты и разработав теоретическую модель, они нашли ответ. В зависимости от высоты падения ударного элемента и жесткости пружин, тело не только ощущает удар от удара, но и испытывает вибрацию конструкции при падении в воду, что усугубляет силу удара.

Конструкция вибрирует вперед-назад из-за сильного удара, поэтому мы получали показания как от удара о жидкость, так и от колебаний, вызванных тем, что конструкция сама себя трясет, — сказал Харрис.

Если не угадать время, то можно усугубить ситуацию.

Исследователи пришли к выводу, что ключевым моментом являются пружины: они должны быть достаточно мягкими, чтобы мягко поглощать удар, не приводя к более быстрым колебаниям, которые увеличивают общую силу.

Работая в Инженерном исследовательском центре Брауна, Антолик регистрировал эксперименты с помощью высокоскоростных камер и использовал инструмент для измерения силы удара — акселерометр.

Когда я провожу эксперименты, весь задний угол становится немного мокрым, — пошутил он.

В настоящее время ученые рассматривают дальнейшие шаги в своей научной линии, черпая вдохновение у ныряющих птиц.

Биологические исследования этих птиц показали, что они совершают определенные маневры при входе в воду, чтобы улучшить условия и не испытывать таких значительных сил, — сказал Антолик.

Мы пытаемся разработать, по сути, роботизированный ударный элемент, способный совершать активные маневры при входе в воду, чтобы делать то же самое с тупыми предметами.

06.11.2023