Todos hemos tenido la desgracia de darnos un mal chapuzón en la piscina y terminar con un doloroso golpe de barriga, o tal vez lo hicimos deliberadamente para presumir y al instante nos arrepentimos de la decisión. Golpear el agua en esta posición del cuerpo puede sentirse como golpear concreto y causar hematomas o (si alguien cae desde una altura mayor) lesiones internas. Aunque 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 impacto.
Los científicos de la Universidad de Brown han descubierto sorprendentemente que añadir 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 rol 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 llega a la superficie del agua. La tensión de pasar del aire al agua, mucho más densa, ejerce una fuerza enorme a medida que el cuerpo se mueve. Las fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua son más fuertes en la superficie, lo que dificulta su paso. (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) un gran volumen de líquido en un corto período de tiempo para igualar la velocidad del cuerpo. choca. Cuanto mayor sea la superficie del objeto que golpea el agua, mayor será la resistencia, y con los vientres caídos habrá una superficie mucho mayor que con una simple inmersión en forma de cisne, lo que dará como resultado ese chapoteo característico.
Los científicos han estudiado este fenómeno durante mucho tiempo, incluidos trabajos recientes sobre aves buceadoras como los alcatraces y el martín pescador. A pesar de la tensión sobre sus cuerpos, los alcatraces y los martines pescadores logran realizar la hazaña repetidamente sin sufrir lesiones, especialmente conmoción cerebral, gracias en parte a sus picos en forma de cono, que les permiten entrar al agua sin crear una ola de compresión debajo de la superficie. Los gansos también pliegan sus alas hacia atrás mientras se sumergen para lograr una forma aerodinámica.
Este último estudio investiga el impacto de cuerpos más fuertes 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 cuerpos rígidos que caen al agua, 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 abordar son: ‘¿Qué pasa si el objeto que estás impactando es flexible, de modo que una vez que se siente la fuerza, puede cambiar de forma o deformarse? ¿Cómo cambia esto la física y, lo que es más importante, las fuerzas que se sienten en estas estructuras?
JT Antolik y otros, 2023
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 funcionar como la suspensión de un automóvil, suavizando el impacto al distribuir la carga durante un período más largo. El cuerpo albergaba un acelerómetro integrado para medir la desaceleración del impacto, así como una bola ferromagnética para que el impactador pudiera lanzarse desde diferentes alturas mediante un electroimán. Los impactos en el agua se iluminaron con retroiluminación blanca difusa y se filmaron a alta velocidad 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, de hecho, aumentaba la fuerza máxima en el cuerpo. Experimentos posteriores revelaron que en estos casos, las vibraciones creadas cuando el impactador golpeaba el agua a veces también hacían 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 de la colisión con el fluido como de una oscilación porque la estructura está temblando». Harris dijo. «Si no lo haces correctamente, básicamente puedes empeorar la situación».
Revista de Mecánica de Fluidos, 2023. DOI: 10.1017/jfm.2023.820 (Acerca del DOI).
Imagen de lista de John Antolik y Daniel Harris
