任何做过腹部着陆到游泳池里的人都知道，它会以一声沉闷的啪的一声、巨大的飞溅和灼热的红色刺痛而结束。大多数人不知道的是为什么。

丹尼尔·哈里斯知道。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，发生的事情(以及为什么它如此痛苦)是水面的力对身体从空气突然进入水中(通常是静止的)产生了强烈的阻力。

研究流体力学的哈里斯说：“突然间，水必须加速才能赶上从空中坠落下来的东西的速度。” “当这种情况发生时，巨大的反作用力会反馈到正在撞击的物体上，从而导致标志性的猛烈撞击。”

在流体力学中，这种情况是如何以及为什么发生的，这不仅对开发用于比赛的屡获殊荣的腹部着陆动作，或解释为什么腹部着陆如此疼痛而进行的泳池派对琐事测验很重要——这种理解对海军和海洋工程至关重要，它们通常需要能够承受高冲击力空气-水猛击力的结构。

出于这个原因，在过去的一个世纪里，这种现象已被彻底研究。但由哈里斯和布朗大学研究生约翰·安托利克领导的一个研究小组，在与纽波特海军水下作战中心和杨百翰大学的学者合作进行的一项新研究中发现了新的见解。

研究人员在《流体力学杂志》上发表的这项研究中，使用一个钝圆柱体搭建了一个类似腹部着陆的水上实验，但增加了一个重要的振动扭曲，最终让他们发现了违反直觉的发现。

哈里斯说：“在这方面所做的工作大多是研究刚性物体撞击水面，它们的整体形状不会真正改变或移动以响应撞击。” “我们开始提出的问题是：如果撞击的物体是灵活的，这样一旦它感觉到力，它就可以改变形状或变形呢？这将如何改变物理学，然后更重要的是，这些结构上感受到的力？”

为了回答这个问题，研究人员用一个灵活的弹簧系统，将一个柔软的“鼻子”连接到他们称之为冲击器的圆柱体主体上。

安托利克解释说，这个想法是，这些弹簧(在原理上类似于汽车的悬架)应该通过在更长的时间内分散冲击载荷来帮助缓冲冲击。这种策略已被视为减少空气-水过渡中有时灾难性的猛烈撞击的潜在解决方案，但很少有实验仔细研究过其中的基本力学和物理学。

为了进行这个实验，研究人员反复将圆柱体掉入静水中，并分析了圆柱体内嵌入的传感器的视觉结果和数据。

意外就在这里发生了。

结果表明，虽然这种策略可能有效，但令人惊讶的是，它并不总是能减轻冲击。事实上，与传统观点相反，有时更灵活的系统会增加身体上的最大冲击力，而完全刚性结构则不会。

这迫使研究人员进行更深入的挖掘。通过大量的实验和建立一个理论模型，他们找到了答案。取决于冲击器掉落的高度和弹簧的刚度，身体不仅会感受到猛击的冲击，还会在进入水中时感受到结构的振动，从而加剧猛击力。

哈里斯说：“由于猛烈的撞击，结构前后振动，所以我们从撞击液体的冲击和振荡中都得到了读数，因为结构本身在晃动。” “如果你没有正确地把握好时机，你基本上会使情况变得更糟。”

研究人员发现，关键在于弹簧：它们必须足够柔软，以便在不导致增加整体力的更快速振动的情况下，温和地吸收冲击。

在布朗大学工程研究中心，安托利克使用高速摄像机记录了实验，并使用了一种叫做加速度计的冲击测量工具。他开玩笑说：“当我做实验时，整个后角都会有点湿。”

研究人员现在正在研究他们研究路线的下一步，从潜水鸟类身上汲取灵感。

安托利克说：“对这些鸟类的生物学研究表明，它们在进入水中时会进行某些动作来改善条件，这样它们就不会经历如此大的力。” “我们正在努力做的是尝试设计一个本质上是机器人冲击器的东西，它可以在入水时进行一些主动的动作，对钝器做同样的事情。”

本文译自 phys.org，由 BALI 编辑发布。

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