Investigadores de la Universidad de Brown llevaron a cabo un experimento con agua similar a los panzas usando un cilindro romo, añadiéndole un toque vibratorio significativo que finalmente arrojó resultados contrarios a la intuición. Crédito: John Antolic y Daniel Harris.
Todos hemos tenido la desgracia de fallar en una inmersión en una piscina y terminar con dolor de estómago, o tal vez lo hicimos intencionalmente para presumir e inmediatamente nos arrepentimos de la decisión. Golpear el agua en esta posición del cuerpo puede parecer como golpear concreto y provocar hematomas o (si la persona cae desde una altura mayor) lesiones internas. Si bien se comprende bien la física básica, los científicos siempre buscan una mayor comprensión del fenómeno con la esperanza de encontrar nuevas formas de mejorar el efecto.
Científicos de la Universidad de Brown han descubierto sorprendentemente que agregar un poco más de resorte a un objeto que golpea el agua puede en realidad aumentar la fuerza del impacto en lugar de disminuirla bajo ciertas condiciones, según Nuevo papel Publicado en la Revista de Mecánica de Fluidos. Las implicaciones van más allá de proteger a los buceadores; Una mejor comprensión de la hidrodinámica conducirá a mejores diseños de buques de guerra, hidroaviones o proyectiles, así como de vehículos submarinos autónomos.
Desde el punto de vista de la física, estamos hablando de un cuerpo elástico que golpea la superficie del agua. La presión resultante de la transición del medio del aire al medio del agua más densa ejerce una fuerza tremenda cuando este cuerpo lo desplaza. Las fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua son más fuertes en la superficie, lo que dificulta su penetración. (Esta es la razón por la que las competiciones de buceo a menudo usan aireadores para crear burbujas en el agua, rompiendo la tensión superficial para proteger a los buceadores). Se debe acelerar (desplazar) una gran cantidad de líquido en un corto período de tiempo para igualar la velocidad del cuerpo que impacta. Cuanta más superficie un objeto golpee en el agua, mayor será la resistencia, y con una caída de vientre habrá una superficie mucho mayor que una simple inmersión en forma de cisne, lo que dará como resultado ese característico golpe de gracia.
Los científicos han estado estudiando este fenómeno durante mucho tiempo, incluidos trabajos recientes sobre aves buceadoras como los alcatraces y el martín pescador. A pesar de la tensión en sus cuerpos, los alcatraces y los martines pescadores logran realizar esta hazaña una y otra vez sin sufrir lesiones, especialmente conmociones cerebrales, gracias en parte a sus picos en forma de cono, que les permiten entrar al agua sin crear una onda de presión debajo de la superficie. . Los alcatraces también pliegan sus alas hacia atrás mientras se sumergen para obtener una forma aerodinámica.
Este último estudio analiza el impacto de objetos más afilados que golpean la superficie del agua, y el mayor impacto se produce durante la llamada fase de «golpe». «La mayor parte del trabajo realizado en este espacio analiza objetos sólidos que impactan el agua y cuya forma general no cambia ni se mueve en respuesta al impacto». dijo el coautor Daniel Harris De la Universidad de Brown. «Las preguntas que comenzamos a responder son: ¿Qué pasa si el objeto que choca es tan elástico que una vez que siente una fuerza puede cambiar de forma o deformarse?» ¿Cómo cambia esto la física y, más importante aún, las fuerzas que se sienten en estas estructuras?
GT Antolic et al., 2023
Para sus experimentos, Harris et al. El dispositivo de impacto delgado y sólido está construido con una punta afilada unida por elementos de resorte flexibles cortados con láser de plástico. Los resortes deben actuar como un sistema de suspensión para el automóvil, suavizando el impacto al distribuir la carga durante un período más largo. El cuerpo tiene un acelerómetro a bordo para medir la desaceleración del impacto, así como una bola magnética para que el cuerpo pueda caer desde diferentes alturas mediante un electroimán. Los efectos con agua se iluminaron con retroiluminación blanca difusa y se filmaron a altas velocidades para capturar el movimiento de la interfaz aire-agua.
Los resultados sorprendieron a los científicos, porque añadir resortes elásticos a un dispositivo de impacto no siempre mitigaba el impacto en comparación con un dispositivo de impacto completamente rígido. A veces, en realidad aumenta la fuerza máxima sobre el cuerpo. Experimentos posteriores revelaron que en esos casos, las vibraciones generadas por el dispositivo de impacto que golpeaba el agua a veces también hacían que los resortes vibraran (oscilación armónica), aumentando así (en lugar de disminuir) la fuerza del impacto. Por tanto, los muelles deben ser lo suficientemente blandos para absorber eficazmente el impacto sin vibrar demasiado.
«El casco se sacude hacia adelante y hacia atrás debido al impacto violento, por lo que obtuvimos lecturas del impacto del fluido que colisiona y oscila mientras el casco se sacude». Harris dijo. «Si no lo haces a tiempo, puedes empeorar la situación».
Revista de Mecánica de Fluidos, 2023. DOI: 10.1017/jfm.2023.820 (Acerca de las identificaciones digitales).
Foto del listado de John Antolek y Danielle Harris
