Защо като скочим по корем в басейна боли толкова много

Както може да ви каже всеки, който някога е бил леко подпийнал в близост до басейн, скокът по корем във водата може да е изненадващо неприятен. Но замисляли ли сте се защо е така? Е, отговорът всъщност е свързан изненадващо много с експериментална физика.

На пръв поглед целият процес зад цамбурването по корем в басейна не е толкова сложен от научна гледна точка – отбелязва Даниел Харис, доцент в инженерния факултет на университета Браун и водещ изследовател в нов труд за механиката на този скок. Това е проста нютонова физика: „Изведнъж водата трябва да се ускори, за да настигне скоростта на това, което пада от въздуха въздуха в нея“, обяснява той. „Когато това се случи, голямата сила на реакцията се връща обратно към тялото, което именно води до характерното разплискване на вода.“

„Но по-голямата част от научната работа, която вече е извършена в тази област, разглежда твърди тела, които се удрят във водата, чиято цялостна форма не се променя или раздвижва в отговор на удара“, казва Харис. „Въпросите, които започваме да си задаваме, са: Какво става, ако обектът, който се удря, е гъвкав, така че след като усети силата, може да промени формата си или да се деформира? Как това променя физиката на цялото събитие и, което е по-важно, какви са силите, които се усещат върху тези структури?“

Тоест, основното обяснение горе важи само ако сте изключително здрав и мускулест. Ако не сте, вероятно областта на стомаха ви е в някаква степен мека – и този детайл, оказва се, може да има някои парадоксални ефекти върху физиката.

„Противно на интуицията, ние откриваме, че „омекотяването“ на удрящия елемент не винаги намалява пиковата сила на удара“, разкрива статията. Всъщност то „може и да увеличи силата в сравнение с напълно твърд аналог“.

Как обаче се изучава подобно нещо? За съжаление, отговорът не е толкова прост и не включва подпийване, а „многократни експерименти, основани на щателно математическо моделиране“. Използвайки високоскоростна камера и система от сложни сензори, екипът заснема пускането на цилиндрична маса във водата и измерва различните резултати върху структурното натоварване на тялото.

Дотук всичко е стандартно – но това, което отличава експериментите на Харис и неговия екип от много предишни изследвания, е добавянето на мек удрящ елемент, прикрепен чрез система от гъвкави пружини, към края на цилиндъра; нещо като окачване в автомобил, обяснява Джон Антолик, ръководител на изследването заедно с Харис. На теория пружините трябва да смекчат удара на масата, като разпределят натоварването за по-дълъг период от време.

На практика обаче нещата са малко по-различни…

„Структурата вибрира напред-назад вследствие на силния удар“, казва Харис. „Така че получавахме показания както от въздействието на удара в течността, така и от трептенето, защото конструкцията се разклаща“.

С други думи: по-гъвкавото тяло понякога може да доведе до по-силен удар, а не до по-мек.

Екипът открива, че ключът е в пружините – а правилното им настройване е трудна задача: ако са прекалено твърди, няма да абсорбират достатъчно удара; ако са прекалено меки, може да се стигне до добавяне на допълнителни вибрации в системата, което ще увеличи общата сила върху нея.

Въпреки че резултатът може да е интересен за хората на почивка, той е още по-добра новина за военните и изследователите на подводни зони. Извън игрите край басейна, именно военноморското и морското инженерство най-често имат нужда от структури, които могат да издържат на силите на ударите от въздуха във водата – и затова изследването е частично финансирано от Службата за военноморски изследвания и Военноморския център за подводна война.

Но въпреки високотехнологичния характер на резултата, изглежда, че природата отдавна е решила проблема – и наистина, следващите стъпки на Харис и Антолик са вдъхновени от грациозното кацане върху водната повърхност на някои птици.

„Биологичните изследвания на тези птици показват, че те извършват определени маневри при навлизането си във водата, така че да не изпитват толкова големи сили“, казва Антолик. „Това, към което се стремим, е да се опитаме да проектираме нещо, което по същество представлява роботизиран елемент, който може да извърши някаква активна маневра по време на влизането във водата, за да осигури по-слаб удар за тъпи предмети.“