任何曾经在游泳池里做过腹部跳跃的人都知道,它的结尾会是一个钝音的撞击声,一个巨大的水花和一个灼热的红色刺。但大多数人不知道原因。

　　丹尼尔哈里斯有。布朗大学工程学院的助理教授说,这种现象背后的物理学并不太复杂。他解释说,发生了什么--以及什么使它如此痛苦--是来自于 水面 突然对身体产生了强烈的抵抗力从空气到水,这通常是静止的。

　　研究流体力学的哈里斯说:"突然之间,水必须加速,以赶上从空气中坠落的速度。""当这种情况发生时,大的反应力就会被送回正在进行撞击的任何东西,从而导致那个标志性的撞击。""

　　为什么会发生这种事 流体力学 不仅仅是为了在比赛中发展出一个获奖的腹部失败,或者是为了宣传为什么腹部事故会造成如此大的伤害,这对于海军和海洋工程是至关重要的,因为海军和海洋工程通常都有结构,需要在高冲击的空气-水撞击力中幸存下来。

　　因此,在过去的一个世纪里,对这一现象进行了深入的研究。但由哈里斯和布朗大学研究生约翰·安托勒克领导的一个研究小组在与纽波特和杨百翰大学海军海底作战中心的学者合作进行的一项新研究中发现了新的见解。

　　研究报告发表于 流体力学杂志 研究人员用一个钝圆筒做了一个腹部一样的水实验,但是增加了一个重要的振动扭转,这最终导致他们得出了反直觉的结果。

　　哈里斯说:"在这个空间里所做的大多数工作都是针对撞击水中的刚性物体,它们的整体形状并没有真正改变或移动以应对撞击。""我们开始遇到的问题是:如果撞击的物体是灵活的,一旦它感觉到力,它就会改变形状或变形?这是如何改变物理学的,更重要的是,改变了这些结构上感受到的力?"

　　为了回答这个问题,研究人员在他们的圆柱体上附加了一个柔软的"鼻子",称为冲击器,带有一个弹性弹簧系统。

　　安托勒克解释说,这个想法是弹簧--在原则上类似于汽车的悬架--应该通过在更长时间内分配冲击载荷来帮助减轻冲击。这一策略已经被认为是一种潜在的解决方案,可以减少有时在空气-水转换过程中发生的灾难性撞击影响,但几乎没有任何实验能够密切关注所涉及的基本力学和物理学。

　　在这个实验中,研究人员反复将钢瓶投入平静的水中,并分析了在钢瓶内嵌入的传感器的视觉结果和数据。

　　这就是意外发生的地方。

　　结果表明,虽然该战略可能是有效的,但令人惊讶的是,它并不总是软化的影响。事实上,与传统思维相反,有时更灵活的系统可以增加对身体的最大冲击力,而不是完全刚性的结构。

　　这迫使研究人员深入挖掘。通过广泛的实验和发展理论模型,他们找到了答案。这取决于撞击器从哪里掉下来的高度和弹簧的强度,身体不仅会感受到撞击的冲击,还会感受到结构进入水中时的振动,从而使撞击力更加紧密。

　　哈里斯说:"由于剧烈的冲击,这个结构在来回振动,所以我们从撞击流体的冲击和振动两方面得到了读数,因为这个结构本身也在震动。""如果你没有把握时机,你基本上可以使情况变得更糟。"

　　研究人员发现,关键在于弹簧:它们必须足够柔软,能够轻轻地吸收冲击,而不会导致更快速的振动,从而增加整体的振动。 力量 .

　　在布朗的工程研究中心工作,安托勒克用高速相机记录了这些实验,并使用了名为加速度计的撞击测量工具。他开玩笑说:"我做实验的时候,整个后角都有点湿。"

　　研究人员现在正在研究他们的下一步研究,从潜水鸟身上获得灵感。

　　"对这些鸟类的生物学研究表明,它们在进入水中时会进行一定的操作,以改善条件,这样它们就不会经历如此高的力。"安托勒克说。"我们的目标是设计一个机器人撞击器,它可以在水进入时进行一些主动操作,对钝物进行同样的操作。"