أخبار جيدة للغواصين الأخرقين: الفيزياء تحمل المفتاح لبطن أقل إيلامًا

لقد عانينا جميعًا من سوء الحظ عندما غطسنا في حوض السباحة وانتهى بنا الأمر بآلام في البطن – أو ربما فعلنا ذلك عمدًا للتباهي، ثم نندم على القرار على الفور. إن ضرب الماء في هذا الوضع من الجسم قد يبدو وكأنه ضرب بالخرسانة ويمكن أن يؤدي إلى كدمات أو (في حالة السقوط من ارتفاع كبير) إصابات داخلية. وعلى الرغم من أن الفيزياء الأساسية مفهومة جيدًا، إلا أن العلماء يبحثون دائمًا عن فهم أفضل لهذه الظاهرة لإيجاد طرق جديدة لتحسين تأثيرها.

لقد وجد علماء جامعة براون بشكل مفاجئ أن إضافة القليل من الزنبرك الإضافي إلى جسم يضرب الماء يمكن أن يزيد في الواقع من قوة التأثير بدلاً من تقليلها في ظل ظروف معينة. ورقة جديدة نشرت في مجلة ميكانيكا الموائع. آثار تتجاوز سلامة الغواصين؛ إن الفهم الأفضل للديناميكا المائية سيؤدي إلى تحسين تصميمات السفن البحرية والطائرات البحرية أو الصواريخ والمركبات المستقلة تحت الماء.

من وجهة نظر فيزيائية، نحن نتحدث عن جسم مرن يصطدم بسطح الماء. إن الضغط المتحرك من وسط الهواء إلى وسط الماء الأكثر كثافة يبذل قوة أكبر عندما يزيحه الجسم. ولأن قوى التماسك بين جزيئات الماء تكون قوية على السطح فمن الصعب كسرها. (ولهذا السبب تستخدم مسابقات الغوص في كثير من الأحيان أجهزة تهوية لإنشاء فقاعات في الماء، وكسر التوتر السطحي لحماية الغواصين.) ويجب تسريع (إزاحة) كمية كبيرة من السائل في فترة زمنية قصيرة. كلما كانت مساحة سطح الجسم الذي يصطدم بالماء أكبر، زادت المقاومة – ومساحة سطح أكبر بكثير من غوص البجعة البسيط مع بطنه، مما يؤدي إلى الضربة القاضية المميزة.

لقد ظل العلماء يدرسون هذه الظاهرة لفترة طويلة جدًا، بما في ذلك العمل الأخير على الطيور الغواصة مثل الكونيور وطائر الرفراف. على الرغم من الضغط الواقع على أجسادهم، فإن طيور الأطيش وطيور الرفراف تقوم بحركات متكررة دون إصابات، وخاصة الارتجاجات، وذلك بفضل مناقيرها المخروطية الضيقة التي تساعدها على دخول الماء دون خلق موجة ضغط تحت السطح. تطوي طيور الأطيش أجنحتها للخلف عندما تغوص للحصول على شكل انسيابي.

تبحث هذه الدراسة الأخيرة في تأثير الأجسام الحادة للغاية على سطح الماء خلال ما يسمى بمرحلة “الضرب”. “معظم العمل الذي تم إنجازه في هذا الفضاء ينظر إلى الأجسام الصلبة التي تصطدم بالمياه، والتي لا يتغير شكلها العام أو يتحرك استجابة للتأثير.” قال المؤلف المشارك دانييل هاريس جامعة براون. “الأسئلة التي نبدأ في الحصول عليها هي: “إذا كانت المادة المصطدمة مرنة، فهل يمكنها تغيير شكلها أو التشوه عندما تستشعر القوة؟ كيف يغير هذا الفيزياء، ومن ثم، والأهم من ذلك، القوى المحسوسة في هذه الهياكل؟”

لتجاربهم، هاريس وآخرون. عناصر زنبركية مرنة مقطوعة بالليزر من البلاستيك مدمجة لخلق تأثير صلب رفيع مع أنف حاد. من المفترض أن تعمل النوابض مثل نظام تعليق السيارة، حيث تعمل على تخفيف التأثير من خلال توزيع الحمل على فترة زمنية أطول. يتكون الجسم من مقياس تسارع داخلي لقياس احتكاك التأثير وكرة مغناطيسية بحيث يمكن إسقاط التأثير من ارتفاعات مختلفة عبر الكهرومغناطيسية. تمت إضاءة التأثيرات بالماء بإضاءة خلفية بيضاء منتشرة وتم تصويرها بسرعة عالية لالتقاط حركة واجهة الهواء والماء.

فاجأت النتائج العلماء لأن إضافة نوابض مرنة إلى جهاز التصادم لا يؤدي دائمًا إلى تخفيف التأثير مقارنةً بأداة تصادم صلبة تمامًا. في بعض الأحيان، فإنه في الواقع يزيد من الطاقة القصوى في الجسم. في تلك الحالات، تؤدي الاهتزازات الناتجة عن ارتطام المصادم بالماء أحيانًا إلى اهتزاز الينابيع (التذبذب التوافقي)، وبالتالي زيادة (بدلاً من تقليل) قوة الاصطدام. لذلك، يجب أن تكون النوابض ناعمة بدرجة كافية لامتصاص الصدمات بشكل فعال دون اهتزاز مفرط.

“يتأرجح الهيكل ذهابًا وإيابًا بسبب التأثير العنيف، لذا نحصل على قراءات من تأثير اصطدام السائل والتذبذب لأن الهيكل يهز نفسه.” قال حارس. “إذا لم تحدد الوقت المناسب، فمن الممكن أن تجعل الوضع أسوأ.”

مجلة ميكانيكا الموائع، 2023. DOI: 10.1017/jfm.2023.820 (حول معرفات الهوية الرقمية).

صورة الكتالوج بواسطة جون أندوليك ودانيال هاريس