Gute Nachrichten für ungeschickte Taucher: Die Physik ist der Schlüssel zu weniger schmerzhaften Bauchflops

Wir alle hatten schon einmal das Pech, bei einem Tauchgang im Pool versagt zu haben und uns am Ende einen schmerzenden Bauch zuzuziehen – oder vielleicht haben wir es auch absichtlich getan, um anzugeben, und haben die Entscheidung sofort bereut. In dieser Körperhaltung auf das Wasser zu schlagen, kann sich wie ein Aufprall auf Beton anfühlen und zu Blutergüssen oder (bei Stürzen aus größerer Höhe) zu inneren Verletzungen führen. Während die grundlegende Physik gut verstanden ist, sind Wissenschaftler immer auf der Suche nach tieferen Einblicken in das Phänomen, in der Hoffnung, neue Wege zur Verbesserung des Effekts zu finden.

Wissenschaftler der Brown University haben überraschenderweise herausgefunden, dass das Hinzufügen einer kleinen zusätzlichen Feder zu einem Objekt, das auf das Wasser trifft, unter bestimmten Bedingungen die Aufprallkraft tatsächlich erhöhen kann, anstatt sie zu verringern Neues Papier Veröffentlicht im Journal of Fluid Mechanics. Die Auswirkungen gehen über den Schutz von Tauchern hinaus; Ein besseres Verständnis der Hydrodynamik wird zu verbesserten Designs von Marineschiffen, Wasserflugzeugen oder Projektilen sowie autonomen Unterwasserfahrzeugen führen.

Aus physikalischer Sicht sprechen wir von einem elastischen Körper, der auf die Wasseroberfläche trifft. Der Druck, der beim Übergang vom Medium Luft zum Medium des dichteren Wassers entsteht, übt eine enorme Kraft aus, wenn dieser Körper ihn verdrängt. An der Oberfläche sind die Kohäsionskräfte zwischen Wassermolekülen stärker, was das Eindringen erschwert. (Aus diesem Grund werden bei Tauchwettbewerben oft Belüfter eingesetzt, um Blasen im Wasser zu erzeugen und so die Oberflächenspannung zu durchbrechen, um die Taucher zu schützen.) Eine große Flüssigkeitsmenge muss in kurzer Zeit beschleunigt (verdrängt) werden, um der Geschwindigkeit des aufprallenden Körpers zu entsprechen. Je mehr Oberfläche ein Objekt auf das Wasser trifft, desto größer ist der Widerstand – und bei einem Bauchschlag entsteht eine viel größere Oberfläche als bei einem einfachen Schwanensprung, was zu diesem charakteristischen Knockout-Schlag führt.

Wissenschaftler untersuchen dieses Phänomen schon seit sehr langer Zeit, darunter auch aktuelle Arbeiten an Tauchvögeln wie Tölpeln und Eisvögeln. Trotz der Belastung ihres Körpers gelingt es Basstölpeln und Eisvögeln, dieses Kunststück immer wieder ohne Verletzungen, insbesondere Gehirnerschütterungen, zu vollbringen, was unter anderem ihrem kegelförmigen Schnabel zu verdanken ist, der es ihnen ermöglicht, ins Wasser zu gelangen, ohne eine Druckwelle unter der Oberfläche zu erzeugen . Auch Tölpel falten beim Tauchen ihre Flügel nach hinten, um eine stromlinienförmige Form zu erhalten.

Diese neueste Studie untersucht die Auswirkungen von schärferen Objekten, die auf die Wasseroberfläche treffen, wobei der stärkste Aufprall in der sogenannten „Auftreffphase“ auftritt. „Der Großteil der in diesem Bereich durchgeführten Arbeiten befasst sich mit festen Objekten, die auf Wasser einwirken und deren Gesamtform sich als Reaktion auf den Aufprall nicht verändert oder bewegt.“ sagte Co-Autor Daniel Harris Von der Brown University. „Die Fragen, die wir zu beantworten beginnen, lauten: Was wäre, wenn das kollidierende Objekt so elastisch wäre, dass es, sobald es eine Kraft spürt, entweder seine Form ändern oder sich verformen kann?“ Wie verändert dies die Physik und, was noch wichtiger ist, die Kräfte, die auf diese Strukturen wirken?

Für ihre Experimente haben Harris et al. Das dünne, solide Schlaggerät besteht aus einer scharfen Spitze, die durch flexible, aus Kunststoff lasergeschnittene Federelemente zusammengehalten wird. Die Federn sollen als Aufhängungssystem für das Auto dienen und den Aufprall abmildern, indem sie die Last über einen längeren Zeitraum verteilen. Der Körper verfügt über einen integrierten Beschleunigungsmesser zur Messung der Aufprallverzögerung sowie über eine Magnetkugel, sodass der Körper über einen Elektromagneten aus verschiedenen Höhen fallen gelassen werden kann. Die Effekte mit Wasser wurden mit diffusem weißem Hintergrundlicht beleuchtet und mit hoher Geschwindigkeit gefilmt, um die Bewegung der Luft-Wasser-Grenzfläche einzufangen.

Die Ergebnisse überraschten die Wissenschaftler, da das Hinzufügen elastischer Federn zu einem Aufprallgerät den Aufprall im Vergleich zu einem vollständig starren Aufprallgerät nicht immer abschwächte. Manchmal erhöht es tatsächlich die maximale Kraft, die auf den Körper einwirkt. Nachfolgende Experimente ergaben, dass in diesen Fällen die Vibrationen, die durch den Aufprall des Aufprallgeräts auf das Wasser erzeugt wurden, manchmal auch dazu führten, dass die Federn vibrierten (harmonische Schwingung), wodurch die Aufprallkraft verstärkt (statt verringert) wurde. Daher müssen die Federn weich genug sein, um den Aufprall effektiv zu absorbieren, ohne zu stark zu vibrieren.

„Der Rumpf zittert aufgrund des heftigen Aufpralls hin und her, daher haben wir Messwerte vom Aufprall der Flüssigkeit erhalten, die kollidiert und oszilliert, während der Rumpf sich selbst schüttelt.“ sagte Harris. „Wenn man es nicht rechtzeitig tut, kann man die Situation verschlimmern.“

Journal of Fluid Mechanics, 2023. DOI: 10.1017/jfm.2023.820 (Über digitale IDs).

Auflistungsfoto von John Antolek und Danielle Harris