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


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло
Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло

Если проникнуть глубоко-глубоко под повер...

Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак
Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак

Загрязнения, извергаемые бурно развивающейся м...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса