هرکسی که تا به حال در استخر شنا انجام داده باشد، می‌داند که این حرکت با صدایی کسل‌کننده، یک چلپ چلوپ بزرگ و یک نیش قرمز سوزان به پایان می‌رسد. اکنون محققان دلیل آن را می دانند.
دنیل هریس می گوید فیزیک پشت این پدیده چندان پیچیده نیست. او توضیح می دهد که چه اتفاقی می افتد – و چه چیزی آن را بسیار دردناک می کند – این است که نیروهای وارد شده از سطح آب به بدن مقاومت شدیدی ارائه می دهند که ناگهان از هوا به آب می رود که اغلب ساکن است.
هریس، استادیار دانشکده مهندسی دانشگاه براون که در زمینه مکانیک سیالات مطالعه می کند، می گوید: «به طور ناگهانی، آب باید شتاب بگیرد تا به سرعت آنچه در هوا می افتد برسد. وقتی این اتفاق می‌افتد، این نیروی واکنش بزرگ به هر چیزی که ضربه را انجام می‌دهد بازگردانده می‌شود و در نتیجه آن برآمدگی مشخصه ایجاد می‌شود.»
چگونه و چرا این اتفاق می افتد در مکانیک سیالات این فقط برای ایجاد ضربان قلب برنده برای مسابقه ها یا بازی کردن چیزهای بی اهمیت در پارتی استخر در مورد اینکه چرا آنها اینقدر صدمه می زنند مهم نیست.
این درک برای مهندسی دریایی و دریایی، که اغلب دارای سازه هایی هستند که باید از نیروهای شوک هوا به آب با ضربه زیاد جان سالم به در ببرند، حیاتی است. به همین دلیل، این پدیده در قرن گذشته به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.
همانطور که در گزارش شده است مجله مکانیک سیالاتمحققان با استفاده از یک استوانه صاف، آزمایش آب شبیه شکم مسطح را راه‌اندازی کردند، اما پیچش ارتعاشی مهمی را به آن اضافه کردند که در نهایت آنها را به یافته‌های غیرمستقیم سوق داد.
هریس می گوید: “بیشتر کارهایی که در این فضا انجام شده است، برخورد اجسام جامد با آب است که در واقع شکل کلی خود را تغییر نمی دهند یا در پاسخ به ضربه حرکت نمی کنند.” “سوالاتی که ما شروع به پرسیدن می کنیم این است که “اگر جسمی که برخورد می کند انعطاف پذیر باشد، به طوری که وقتی نیرو را احساس کرد، می تواند تغییر شکل دهد یا تغییر شکل دهد، چه؟” این چگونه فیزیک و مهمتر از آن، نیروهای احساس شده بر این ساختارها را تغییر می دهد؟
برای پاسخ به این سوال، محققان یک ” دماغه” نرم را به بدنه استوانه خود که ضربه‌گیر نامیده می‌شود، با سیستمی از فنرهای انعطاف‌پذیر متصل کردند.
دانشجوی فارغ التحصیل و یکی از نویسندگان جان آنتولیک توضیح می دهد که این ایده این است که فنرها – که اساساً شبیه سیستم تعلیق خودرو هستند – باید با پخش بار ضربه در مدت زمان طولانی تری به کاهش ضربه کمک کنند.
این استراتژی به عنوان یک راه حل بالقوه برای کاهش اثرات گاه فاجعه بار کوبیدن در انتقال هوا به آب پیشنهاد شده است، اما تعداد کمی از آزمایش‌ها تا کنون به دقت به مکانیک و فیزیک اساسی نگاه کرده‌اند.
برای این آزمایش، محققان استوانه را بارها در آب ساکن انداختند و نتایج بصری و داده های حسگرهای تعبیه شده در سیلندر را تجزیه و تحلیل کردند.
اینجا اتفاق غیرمنتظره افتاد.
نتایج نشان می‌دهد که در حالی که استراتژی می‌تواند مؤثر باشد، به‌طور شگفت‌انگیزی، همیشه تأثیر را کاهش نمی‌دهد. در واقع، برخلاف تفکر مرسوم، گاهی اوقات یک سیستم انعطاف پذیرتر می تواند حداکثر را افزایش دهد نیروی ضربه روی بدنه در مقایسه با ساختار کاملاً سفت و سخت.
این پژوهشگران را وادار کرد تا عمیق‌تر کاوش کنند. آنها از طریق آزمایش های گسترده و با توسعه یک مدل نظری، پاسخ خود را یافتند. بسته به ارتفاعی که ضربه گیر از آن رها شده و فنرها چقدر سفت هستند، بدن نه تنها ضربه ضربه را احساس می کند، بلکه احساس می کند. ارتعاشات سازه هنگام ورود به آب، نیروی کوبیدن را ترکیب می کند.
هریس می‌گوید: «سازه به دلیل برخورد شدید به جلو و عقب می‌لرزید، بنابراین ما از شوک مایع و ارتعاش با تکان دادن خود سازه، خوانش‌هایی دریافت می‌کردیم. “اگر آنها را به درستی دریافت نکنید، در واقع می توانید وضعیت را بدتر کنید.”
محققان دریافتند که فنرها کلید اصلی هستند: آنها باید به اندازه کافی نرم باشند تا ضربه را به آرامی بدون ایجاد ارتعاشات سریعتر که بر نیروی کلی می افزاید، جذب کنند.
آنتولیک که در مرکز تحقیقات مهندسی براون کار می‌کرد، آزمایش‌ها را با استفاده از دوربین‌های پرسرعت ضبط کرد و از ابزار اندازه‌گیری ضربه به نام شتاب‌سنج استفاده کرد. او به شوخی می گوید: «وقتی دارم آزمایش می کنم تمام گوشه عقب کمی خیس می شود.
همانطور که برای شناگرانی که به دنبال کاهش درد ناشی از افتادن شکم بعدی خود هستند، نکته کلیدی ممکن است تلاش برای کاهش ضربه نیروهای ضربه باشد، شاید با یک لباس نئوپرن روکش دار یا نوعی ماده یا شی با بهار به او.
هریس می‌گوید: «من حدس می‌زنم اخلاقیات داستان ما این باشد که مواد باید عاقلانه انتخاب شوند تا وضعیت بدتر نشود.»
محققان اکنون با الهام گرفتن از پرندگان غواص، به مراحل بعدی در خط تحقیقات خود نگاه می کنند.
آنتولیک می گوید: بررسی های بیولوژیکی این پرندگان نشان می دهد که آنها هنگام ورود به آب مانورهای خاصی را برای بهبود شرایط انجام می دهند تا دچار چنین تنش های شدیدی نشوند. چیزی که ما به سمت آن حرکت می‌کنیم، تلاش برای طراحی چیزی است که اساساً یک ضربه‌گیر روباتیک است که می‌تواند برخی از مانورهای فعال را در حین ورود آب انجام دهد تا همین کار را برای اجسام کند انجام دهد.
نویسندگان دیگر از مرکز جنگ زیردریایی نیروی دریایی و دانشگاه بریگام یانگ هستند. دفتر تحقیقات نیروی دریایی و مرکز جنگ زیردریایی نیروی دریایی از این کار حمایت کردند.
منبع: دانشگاه براون
