Neue Forschungen in der Biomechanik messen die Auswirkungen von Kopf-, Hand- und Fuß voran und die Wahrscheinlichkeit von Verletzungen bei verschiedenen Tauchhöhen und liefern datengestützte Empfehlungen für sicheres Tauchen und ein Modell zur Messung der Auswirkungen verschiedener Formen ins Wasser tauchen.
Bei ungeschulten Tauchern stellten die Forscher fest, dass Rückenmarks- und Nackenverletzungen bei einem Kopfsprung über acht Meter wahrscheinlich sind; Eine Schlüsselbeinverletzung ist bei einem Hand-First-Tauchgang oberhalb von 12 Metern wahrscheinlich; und Knieverletzungen sind wahrscheinlich oberhalb von 15 Metern beim Tauchen mit den Füßen zuerst.
Die Studie „Slamming Dynamics of Diving and its Implications for Diving-Related Injuries“ wurde am 27. Juli in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Bildnachweis: Pandey et al., Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo5888
„Wasser ist 1.000-mal dichter als Luft, also bewegt man sich von einem sehr verdünnten Medium zu einem sehr dichten Medium und wird einen enormen Einfluss erfahren“, sagte Sunghwan Jung, Professor für Bio- und Umwelttechnik am College of Agrar- und Biowissenschaften und leitender Autor des Artikels. „Menschen können wählen, wie sie tauchen, also wollten wir uns die Auswirkungen der Tauchposition ansehen. Wir wollten auch eine universellere oder allgemeinere Theorie darüber entwickeln, wie Objekte oder unterschiedlich geformte Fronten ins Wasser tauchen, also haben wir uns das angeschaut die Tauchfronten sowohl von Menschen in unterschiedlichen Haltungen als auch von Tieren und maß die Aufprallkräfte der verschiedenen Formen.“
Anupam Pandey, ein Postdoktorand in Jungs Labor, ist der Erstautor der Arbeit.
Die Forscher verwendeten 3D-gedruckte Modelle eines nahezu lebensgroßen menschlichen Kopfes und Oberkörpers, Oberkörper und Kopf mit ausgestreckten Armen und Füßen sowie Modelle eines Schweinswalkopfes, eines Basstölpelschnabels und eines Basiliskeneidechsenfußes Untersuchen Sie die Auswirkungen von gekrümmten, spitzen bzw. flachen Formen auf die Wasseroberfläche. Sie tauchten die Objekte in Wasser und maßen die auf sie einwirkenden Kräfte und ihre Verteilung über die Zeit und konnten ein theoretisches Modell entwickeln, das die Zunahme der Kraft auf die verschiedenen Formen und die Zunahme dieser Kräfte mit der Höhe des Tauchgangs beschreibt.
Anschließend zeichneten sie die Höhe und den Aufprall mit der Kraft auf, der menschliche Muskeln, Bänder und Knochen standhalten können, und ermittelten die Wahrscheinlichkeit verschiedener Verletzungen – an Schlüsselbein, Wirbelsäule und Knie – in verschiedenen Höhen und an verschiedenen Tauchpositionen.
„In der menschlichen Biomechanik gibt es eine riesige Literatur über Sturzverletzungen, insbesondere bei älteren Menschen, und Sportverletzungen wie Gehirnerschütterungen, aber ich kenne keine andere Arbeit über Tauchverletzungen“, sagte Jung.
Die Forschung könnte dazu beitragen, Menschen zu sichereren Tauchentscheidungen zu führen – ein Tauchgang mit den Füßen voran zum Beispiel ist von höheren Sitzplätzen aus sicherer – und sie zeigt auch, wie gut angepasste Tauchtiere sind, um die Auswirkungen des Tauchens zu mildern. Basstölpel zum Beispiel haben flachere Schnabelwinkel, die es ihnen ermöglichen, mit bis zu 24 Metern pro Sekunde ins Wasser zu tauchen. Delfine haben verkürzte, verschmolzene Halswirbel, die ihren Kopf stützen, während sie Schweinswale fangen, schreiben die Autoren.
Zu verstehen, wie Tiere oder Objekte Schnittstellen überqueren, gehört zu den Zielen von Jungs umfassendem Forschungsprogramm. Sein Labor hat die Tauchmechanik von Tieren untersucht und wie Tiere aus dem Wasser springen; Ein aktuelles Projekt befasst sich mit dem Eintauchen eines Fuchses in den Schnee.
„Als Ingenieure sind wir sehr gut darin, das Flugzeug in der Luft fliegen zu lassen. Wir sind gut darin, ein U-Boot im Wasser bewegen zu lassen, aber das Überqueren der Schnittstelle, wie Sie in der Tierwelt sehen, ist keine leichte Aufgabe, und es ist etwas Ingenieure interessieren sich dafür, dass beispielsweise eine Drohne von Wasser zu Luft oder von Luft zu Wasser fliegt“, sagte Jung. „Vielleicht kann diese Studie also Aufschluss über das neue Konstruktionsdesign in der Zukunft geben, das es Systemen ermöglichen würde, dies zu tun. Für uns versuchen wir, die grundlegende Mechanik zu verstehen.“
Anupam Pandey et al, Slamming-Dynamik des Tauchens und ihre Auswirkungen auf tauchbedingte Verletzungen, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo5888