Svako ko je ikada udario stomak u bazen zna da se to završava tupim pljuskom, velikim prskanjem i užarenim crvenim ubodom. Ono što većina ljudi ne zna je zašto.
Daniel Harris radi. Docent na Tehničkoj školi Univerziteta Braun kaže da fizika iza ovog fenomena nije previše složena. Ono što se dešava — i ono što ga čini tako bolnim, objašnjava on — jeste da sile sa vodene površine daju žestok otpor telu koje iznenada prelazi iz vazduha u vodu, koje je često mirno.
„Odjednom, voda mora da ubrza da bi dostigla brzinu onoga što pada kroz vazduh“, rekao je Haris, koji proučava mehaniku fluida. „Kada se to dogodi, ta velika reakciona sila se vraća na ono što utiče, što dovodi do tog udarnog kontakta.
Kako i zašto se to dešava u mehanici fluida nije važno samo za razvijanje nagrađivanog trbušnjaka za takmičenja, ili iznošenje trivijalnosti na žurkama u bazenu o tome zašto trbušnjaci toliko bole – razumevanje je ključno za pomorsku i pomorski inženjering, koji često imaju strukture koje treba da prežive jake udarne sile vazduh-voda.
Iz tog razloga, ovaj fenomen je tokom proteklog veka temeljno proučavan. Ali istraživački tim predvođen Harisom i Braunom diplomiranim studentom Džonom Antolikom pronašao je nove uvide u novoj studiji koja je rađena u partnerstvu sa naučnicima iz Centra za pomorsko podvodno ratovanje u Njuportu i Univerziteta Brigam Jang.
Za studiju, objavljenu u časopisu Journal of Fluid Mechanics, istraživači su postavili eksperiment sa vodom nalik trbušnoj vodi koristeći tupi cilindar, ali dodajući mu važan vibrirajući obrt, što ih je na kraju dovelo do kontraintuitivnih nalaza. Istraživači Brauna postavili su eksperiment sa vodom nalik trbušnom plutanju koristeći tupi cilindar, ali dodajući mu važan vibracioni obrt, što ih je na kraju dovelo do kontraintuitivnih nalaza. Zasluge: Džon Antolik i Danijel Haris.
„Većina posla koji je obavljen u ovom prostoru gleda na kruta tela koja udaraju u vodu, čiji se ukupni oblik zapravo ne menja niti pomera kao odgovor na udar“, rekao je Haris. „Pitanja koja počinjemo da dobijamo su: Šta ako je objekat koji udara fleksibilan tako da kada oseti silu može promeniti oblik ili se deformisati? Kako to menja fiziku, a zatim, što je još važnije, sile koje su osetio na ovim strukturama?“
Da bi odgovorili na to, istraživači su pričvrstili mekani „nos“ na telo svog cilindra, koji se naziva udarcem, sa sistemom fleksibilnih opruga.
Ideja je, objašnjava Antolik, da opruge — koje u principu deluju slično vešanju automobila — treba da pomognu u ublažavanju udara raspodelom udarnog opterećenja na duži period. Ova strategija je predstavljena kao potencijalno rešenje za smanjenje ponekad katastrofalnih udara u tranziciji vazduh-voda, ali nekoliko eksperimenata je ikada izbliza pogledalo osnovnu mehaniku i fiziku koja je uključena.
Za ovaj eksperiment, istraživači su više puta ispuštali cilindar u mirnu vodu i analizirali i vizuelne rezultate i podatke sa senzora ugrađenih u cilindar.
Tu se dogodilo neočekivano.
Rezultati pokazuju da iako strategija može biti efikasna, iznenađujuće, ona ne ublažava uvek uticaj. U stvari, suprotno konvencionalnom mišljenju, ponekad fleksibilniji sistem može povećati maksimalnu silu udara na telo u poređenju sa potpuno krutom strukturom.
Ovo je primoralo istraživače da kopaju dublje. Kroz opsežne eksperimente i razvijajući teorijski model, pronašli su svoj odgovor. U zavisnosti od visine sa koje je udarni element spušten i koliko su opruge krute, telo ne samo da će osetiti udar od udarca, već će osetiti i vibracije konstrukcije dok ona ulazi u vodu, povećavajući silu udaranja.
„Konstrukcija vibrira napred-nazad zbog nasilnog udara, tako da smo dobijali očitavanja i od udara tečnosti i od oscilacije jer se struktura sama trese“, rekao je Haris. „Ako ne odredite pravo vreme, u suštini možete pogoršati situaciju.
Istraživači su otkrili da su ključ bile opruge: one moraju biti dovoljno mekane da nežno apsorbuju udar bez dovođenja do bržih vibracija koje doprinose ukupnoj sili.
Radeći u Braunovom inženjerskom istraživačkom centru, Antolik je snimio eksperimente koristeći kamere velike brzine i koristio alat za merenje udara koji se zove akcelerometar. „Ceo zadnji ugao se malo pokvasi kada radim eksperimente“, našalio se.
Istraživači sada razmatraju sledeće korake u svojoj istraživačkoj liniji, uzimajući inspiraciju od ptica ronilaca.
Biološka istraživanja ovih ptica su pokazala da one izvode određene manevre prilikom ulaska u vodu kako bi poboljšale uslove kako ne bi iskusile tako velike sile“, rekao je Antolik. „Ono čemu idemo je pokušaj da dizajniramo ono što je u suštini robotski udarni mehanizam koji može da izvede neki aktivni manevar tokom ulaska u vodu da uradi isto za tupe predmete.
