Jeder, der schon einmal einen Bauchsprung in ein Schwimmbad gemacht hat, weiß, dass es mit einem stumpf klingenden Platschen, einem großen Platschen und einem sengenden roten Stich endet. Was die meisten Menschen nicht wissen, ist der Grund.
Daniel Harris tut es. Der Assistenzprofessor an der School of Engineering der Brown University sagt, die Physik hinter dem Phänomen sei nicht allzu komplex. Was passiert – und was es so schmerzhaft macht, erklärt er – ist, dass die Kräfte von der Wasseroberfläche dem plötzlichen Übergang von der Luft ins Wasser, das oft still steht, einen heftigen Widerstand entgegensetzen.
„Plötzlich muss das Wasser beschleunigen, um mit der Geschwindigkeit mitzuhalten, die durch die Luft fällt“, sagte Harris, der Strömungsmechanik studiert. „Wenn das passiert, wird diese große Reaktionskraft auf das zurückgeschickt, was den Einschlag ausführt, was zu diesem charakteristischen Slam führt.“
Wie und warum dies in der Strömungsmechanik geschieht, ist nicht nur wichtig, um einen preisgekrönten Bauchlatschen für Wettbewerbe zu entwickeln oder auf einer Poolparty Wissenswertes darüber zu verteilen, warum Bauchlatschen so weh tun – das Verständnis ist von entscheidender Bedeutung für die Marine- und Schiffstechnik Sie verfügen oft über Strukturen, die starken Luft-Wasser-Kräften standhalten müssen.
Aus diesem Grund wurde das Phänomen im letzten Jahrhundert gründlich untersucht. Doch ein Forschungsteam unter der Leitung des Harris- und Brown-Doktoranden John Antolik fand neue Erkenntnisse in einer neuen Studie, die in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Naval Undersea Warfare Center in Newport und der Brigham Young University durchgeführt wurde.
Für die Studie, veröffentlicht in Zeitschrift für Strömungsmechanik führten die Forscher ein Bauch-Flop-ähnliches Wasserexperiment durch, bei dem sie einen stumpfen Zylinder verwendeten, ihm aber eine wichtige vibrierende Drehung hinzufügten, was sie letztendlich zu kontraintuitiven Ergebnissen führte.
Brown-Forscher führten ein Bauch-Flop-ähnliches Wasserexperiment durch, bei dem sie einen stumpfen Zylinder verwendeten, diesem jedoch eine wichtige Vibrationsdrehung hinzufügten, was sie letztendlich zu kontraintuitiven Ergebnissen führte. Bildnachweis: John Antolik und Daniel Harris.
„Die meiste Arbeit, die in diesem Bereich durchgeführt wurde, befasst sich mit starren Körpern, die auf das Wasser prallen, deren Gesamtform sich als Reaktion auf den Aufprall nicht wirklich verändert oder bewegt“, sagte Harris. „Die Fragen, mit denen wir uns beschäftigen, lauten: Was wäre, wenn das Objekt, das aufprallt, flexibel ist, so dass es, sobald es die Kraft spürt, entweder seine Form ändern oder sich verformen kann? Wie verändert das die Physik und dann, was noch wichtiger ist, die Kräfte, die wirken.“ auf diesen Strukturen gefühlt?“
Um dies zu beantworten, befestigten die Forscher mit einem System aus flexiblen Federn eine weiche „Nase“ am Körper ihres Zylinders, einen sogenannten Impaktor.
Die Idee, erklärt Antolik, besteht darin, dass die Federn, die im Prinzip ähnlich wie die Federung eines Autos funktionieren, dazu beitragen sollen, den Aufprall abzumildern, indem sie die Aufpralllast über einen längeren Zeitraum verteilen. Diese Strategie wurde als potenzielle Lösung zur Reduzierung der manchmal katastrophalen Aufpralleffekte bei Luft-Wasser-Übergängen ins Spiel gebracht, aber nur wenige Experimente haben sich jemals eingehend mit der grundlegenden Mechanik und Physik befasst.
Für dieses Experiment ließen die Forscher den Zylinder wiederholt in stilles Wasser fallen und analysierten sowohl die visuellen Ergebnisse als auch die Daten der im Zylinder eingebetteten Sensoren.
Hier geschah das Unerwartete.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Strategie zwar effektiv sein kann, die Auswirkungen aber überraschenderweise nicht immer abmildert. Tatsächlich kann das flexiblere System im Gegensatz zur herkömmlichen Meinung manchmal die maximale Aufprallkraft auf den Körper im Vergleich zu einer völlig starren Struktur erhöhen.
Dies zwang die Forscher, tiefer zu graben. Durch umfangreiche Experimente und die Entwicklung eines theoretischen Modells fanden sie ihre Antwort. Abhängig von der Höhe, aus der der Impaktor fallen gelassen wird, und von der Steifigkeit der Federn spürt der Körper nicht nur den Aufprall des Aufpralls, sondern auch die Vibrationen der Struktur beim Eintauchen ins Wasser, die die Aufprallkraft verstärken.
„Die Struktur vibriert aufgrund des heftigen Aufpralls hin und her, daher erhielten wir Messwerte sowohl vom Aufprall auf die Flüssigkeit als auch von einer Schwingung, weil die Struktur selbst zittert“, sagte Harris. „Wenn man diese nicht richtig einsetzt, kann man die Situation im Grunde noch verschlimmern.“
Den Schlüssel dazu fanden die Forscher in den Federn: Sie müssen weich genug sein, um den Aufprall sanft zu absorbieren, ohne zu schnelleren Vibrationen zu führen, die die Gesamtkraft erhöhen.
Antolik arbeitete im Brown’s Engineering Research Center und zeichnete die Experimente mit Hochgeschwindigkeitskameras auf und verwendete ein Aufprallmessgerät namens Beschleunigungsmesser. „Die ganze hintere Ecke wird ein bisschen nass, wenn ich die Experimente mache“, scherzte er.
Die Forscher prüfen nun die nächsten Schritte in ihrer Forschungslinie und lassen sich dabei von Tauchvögeln inspirieren.
„Biologische Studien dieser Vögel haben gezeigt, dass sie beim Betreten des Wassers bestimmte Manöver durchführen, um die Bedingungen zu verbessern, damit sie nicht so hohen Kräften ausgesetzt sind“, sagte Antolik. „Was wir anstreben, ist der Versuch, im Wesentlichen einen Roboter-Impaktor zu entwickeln, der beim Wassereintritt ein aktives Manöver ausführen kann, um das Gleiche bei stumpfen Objekten zu tun.“
Mehr Informationen:
Schlagkräfte beim Wassereintritt eines einfachen harmonischen Oszillators, Zeitschrift für Strömungsmechanik (2023). DOI: 10.1017/jfm.2023.820