Buenas noticias para los buceadores torpes: la física es la clave para lograr caídas de vientre menos dolorosas

Todos hemos tenido la desgracia de fallar al zambullirnos en la piscina y terminar con una dolorosa caída, o tal vez lo hicimos deliberadamente para presumir y al instante nos arrepentimos de esa decisión. Golpear el agua en esa posición del cuerpo puede parecer como golpear concreto y provocar hematomas o (si uno cae desde una altura mayor) lesiones internas. Si bien la física básica se comprende bien, los científicos siempre están buscando una mayor comprensión del fenómeno con la esperanza de encontrar formas novedosas de mejorar el impacto.

Científicos de la Universidad de Brown han descubierto que, sorprendentemente, agregar un poco más de resorte a un cuerpo que golpea el agua puede en realidad aumentar la fuerza del impacto en lugar de disminuirla bajo ciertas condiciones, según un estudio. nuevo papel publicado en el Journal of Fluid Mechanics. Las implicaciones van más allá de proteger a los buceadores; Una mejor comprensión de la hidrodinámica mejorará los 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. El estrés de pasar del medio del aire al medio mucho más denso del agua ejerce una fuerza enorme a medida que ese cuerpo lo desplaza. Las fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua son más fuertes en la superficie, lo que dificulta su penetración. (Es por eso que las competencias 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) un gran volumen de fluido en un corto período de tiempo para igualar la velocidad del cuerpo que incide. Cuanto mayor sea la superficie del objeto que golpea el agua, más resistencia habrá, y con los panzas habrá una superficie mucho mayor que con un simple descenso en cisne, lo que dará como resultado ese característico golpe.

Los científicos han estado estudiando este fenómeno durante mucho tiempo, incluyendo trabajos recientes sobre aves buceadoras como alcatraces y martines pescadores. A pesar de la tensión en sus cuerpos, los alcatraces y los martines pescadores logran la hazaña una y otra vez sin sufrir lesiones, especialmente conmociones cerebrales, gracias en parte a sus picos cónicos en forma de cono, que les permiten entrar al agua sin crear una onda de compresión debajo de la superficie. Los alcatraces también doblan sus alas hacia atrás mientras se sumergen para lograr una forma aerodinámica.

Este último estudio investiga el impacto de cuerpos más contundentes que golpean la superficie del agua, en la que el mayor impacto se produce durante la llamada fase de “golpe”. “La mayor parte del trabajo que se ha realizado en este espacio analiza cuerpos rígidos que chocan contra el agua, cuya forma general realmente no cambia ni se mueve en respuesta al impacto”. dijo el coautor Daniel Harris de la Universidad de Brown. “Las preguntas a las que empezamos a plantearnos son: ‘¿Qué pasa si el objeto que impacta es flexible de modo que una vez que siente la fuerza puede cambiar de forma o deformarse? ¿Cómo cambia eso la física y, lo que es más importante, las fuerzas que se sienten en estas estructuras?

Para sus experimentos, Harris et al. construyó un impactador rígido y delgado con una punta roma acoplada por elementos de resorte elásticos cortados con láser de plástico. Los resortes deberían actuar como la suspensión de un automóvil, suavizando el impacto distribuyendo la carga durante un período más largo. El cuerpo albergaba un acelerómetro a bordo para medir la desaceleración del impacto, así como una bola ferromagnética para que el impactador pudiera caer desde diferentes alturas mediante un electroimán. Los impactos con el agua se iluminaron con luz de fondo blanca difusa y se filmaron a altas velocidades para capturar la acción de la interfaz aire-agua.

Los resultados sorprendieron a los científicos, porque agregar resortes flexibles al impactador no siempre suavizaba el impacto en comparación con un impactador completamente rígido. A veces, en realidad aumentaba la fuerza máxima sobre el cuerpo. Experimentos posteriores revelaron que en esos casos, las vibraciones creadas cuando el impactador golpeaba el agua a veces también causaban que los resortes vibraran (oscilación armónica), aumentando así (en lugar de disminuir) la fuerza del impacto. Por lo tanto, los resortes deben ser lo suficientemente blandos para absorber eficazmente el impacto sin vibrar demasiado.

“La estructura vibra hacia adelante y hacia atrás debido al impacto violento, por lo que obtuvimos lecturas tanto del impacto del impacto del fluido como de una oscilación porque la estructura se sacude a sí misma”. Harris dijo. “Si no los sincronizas correctamente, básicamente puedes empeorar la situación”.

Revista de Mecánica de Fluidos, 2023. DOI: 10.1017/jfm.2023.820 (Acerca de los DOI).

Imagen de listado de John Antolik y Daniel Harris