آیا راز نفخ کمتر دردناک را می خواهید؟ این محققین پاسخ این سوال را دارند

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. چیزی که اکثر مردم نمی دانند این است که چرا.

دنیل هریس انجام می دهد. استادیار دانشکده مهندسی دانشگاه براون می گوید فیزیک پشت این پدیده چندان پیچیده نیست. او توضیح می‌دهد که چه اتفاقی می‌افتد – و آن را بسیار دردناک می‌کند – این است که نیروهای سطح آب در برابر انتقال ناگهانی بدن از هوا به آب، که اغلب ساکن است، به شدت مقاومت کنید.

هریس 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 شکم برنده رقابت یا برای پخش چیزهای بی اهمیت در مهمانی های استخر در مورد اینکه چرا شکم آنقدر درد می کند مهم نیست – درک برای مهندسی دریایی و دریایی، که اغلب دارای سازه هایی هستند که باید در برابر نیروهای با ضربه زیاد هوا و آب زنده بمانند، بسیار مهم است. تأثیر.

به همین دلیل، این پدیده در قرن گذشته به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. اما یک تیم تحقیقاتی به رهبری هریس و براون، دانشجوی فارغ التحصیل جان آنتولیک، در مطالعه جدیدی که با مشارکت دانشمندان مرکز جنگ زیردریایی نیروی دریایی در نیوپورت و دانشگاه بریگام یانگ انجام شد، به بینش های جدیدی دست یافتند.

برای مطالعه منتشر شده در مجله مکانیک سیالات محققان 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 می‌گوید: «بیشتر کارهایی که در این فضا انجام شده است به برخورد مواد جامد با آب است که شکل کلی آنها در واکنش به ضربه تغییر نمی‌کند یا حرکت نمی‌کند. “سوالاتی که ما شروع به پرسیدن می کنیم این است: اگر جسم مورد اصابت 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، نیروهایی را که روی این ساختارها احساس می شود، 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.

آنتولیک توضیح می‌دهد که ایده این است که فنرها – که اساساً شبیه به سیستم تعلیق خودرو عمل می‌کنند – باید با پخش بار شوک در مدت زمان طولانی‌تری 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، بر خلاف تصور عمومی، گاهی اوقات یک سیستم انعطاف پذیرتر می تواند حداکثر نیروی ضربه بر بدن را در مقایسه با یک ساختار کاملاً سفت و سخت افزایش دهد.

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 پرتاب می شود و میزان سفت بودن فنرها، بدنه نه تنها ضربه ضربه را احساس می کند، بلکه لرزش سازه را هنگام ورود به آب نیز احساس می کند و نیروی ضربه را ترکیب می کند. .

هریس گفت: «سازه به دلیل برخورد نیرومند به جلو و عقب می‌لرزید، بنابراین ما از برخورد سیال و نوسان 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 کلید در فنرها قرار دارد: آنها باید به اندازه کافی نرم باشند تا ضربه را به آرامی جذب کنند بدون اینکه منجر به ارتعاشات سریعتر شود که به کلیت اضافه می کند. استحکام – قدرت.

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 گفت: «وقتی آزمایش‌ها را انجام می‌دهم، گوشه پشتی کمی خیس می‌شود.

محققان اکنون با الهام گرفتن از پرندگان غواص، به مراحل بعدی در خط تحقیقات خود نگاه می کنند.

آنتولیک گفت: بررسی های بیولوژیکی این پرندگان نشان می دهد که هنگام ورود به آب مانورهای خاصی را برای بهبود شرایط انجام می دهند تا چنین نیروهای بالایی را تجربه نکنند. چیزی که ما به سمت آن حرکت می‌کنیم، تلاش برای طراحی چیزی است که اساساً یک ضربه‌گیر روباتیک است که می‌تواند نوعی مانور فعال را در حین ورود آب انجام دهد تا همین کار را برای اجسام کند انجام دهد.