.
Qualquer pessoa que já tenha dado um mergulho de barriga em uma piscina sabe que isso termina com um barulho contundente, um grande respingo e uma picada vermelha escaldante. O que a maioria das pessoas não sabe é por quê.
Daniel Harris sim. O professor assistente da Escola de Engenharia da Universidade Brown diz que a física por trás do fenômeno não é muito complexa. O que acontece – e o que torna tudo tão doloroso, explica ele – é que as forças da superfície da água oferecem uma forte resistência à passagem repentina do corpo do ar para a água, que muitas vezes está parada.
“De repente, a água tem que acelerar para alcançar a velocidade do que está caindo no ar”, disse Harris, que estuda mecânica dos fluidos. “Quando isso acontece, essa grande força de reação é enviada de volta para o que quer que esteja causando o impacto, levando a esse impacto característico”.
Como e por que isso acontece na mecânica dos fluidos não é importante apenas para desenvolver um barriga flop premiado para competições, ou para apresentar curiosidades em festas na piscina sobre por que as barrigas doem tanto – o entendimento é fundamental para a engenharia naval e naval. que muitas vezes possuem estruturas que precisam sobreviver a forças de impacto ar-água de alto impacto. Por essa razão, o fenômeno foi estudado exaustivamente durante o século passado. Mas uma equipe de pesquisa liderada pelo estudante de graduação de Harris e Brown, John Antolik, encontrou novos insights em um novo estudo feito em parceria com acadêmicos do Naval Undersea Warfare Center em Newport e da Universidade Brigham Young.
Para o Revista de Mecânica dos Fluidos No estudo, os pesquisadores montaram um experimento de água semelhante a uma barriga, usando um cilindro rombudo, mas acrescentando uma importante torção vibratória a ele, o que os levou a descobertas contra-intuitivas.
“A maior parte do trabalho realizado neste espaço analisa corpos rígidos colidindo com a água, cuja forma geral não muda ou se move em resposta ao impacto”, disse Harris. “As questões que começamos a abordar são: ‘E se o objeto que está impactando for flexível de modo que, uma vez sentido a força, ele possa mudar de forma ou deformar-se? Como isso muda a física e, mais importante, as forças que são sentidos nessas estruturas?”
Para responder a isso, os pesquisadores anexaram um “nariz” macio ao corpo do cilindro, conhecido como impactor, com um sistema de molas flexíveis.
A ideia, explica Antolik, é que as molas – que agem em princípio de forma semelhante à suspensão de um carro – ajudem a suavizar o impacto, distribuindo a carga de impacto por um período mais longo. Esta estratégia tem sido apresentada como uma solução potencial para reduzir impactos por vezes catastróficos nas transições ar-água, mas poucas experiências analisaram de perto a mecânica e a física fundamentais envolvidas.
Para este experimento, os pesquisadores deixaram cair o cilindro repetidamente em água parada e analisaram os resultados visuais e os dados dos sensores embutidos no interior do cilindro.
Foi aqui que o inesperado aconteceu.
Os resultados mostram que, embora a estratégia possa ser eficaz, surpreendentemente, nem sempre atenua o impacto. Na verdade, ao contrário do pensamento convencional, por vezes o sistema mais flexível pode aumentar a força máxima de impacto no corpo em comparação com uma estrutura totalmente rígida.
Isso forçou os pesquisadores a cavar mais fundo. Através de extensas experiências e do desenvolvimento de um modelo teórico, eles encontraram a resposta. Dependendo da altura da queda do impactor e da rigidez das molas, o corpo não só sentirá o impacto da batida, mas também sentirá as vibrações da estrutura ao entrar na água, agravando a força da batida.
“A estrutura está vibrando para frente e para trás devido ao impacto violento, então estávamos obtendo leituras tanto do impacto da colisão com o fluido quanto de uma oscilação porque a estrutura estava se sacudindo”, disse Harris. “Se você não cronometrar corretamente, basicamente poderá piorar a situação.”
Os pesquisadores descobriram que a chave estavam nas molas: elas precisam ser macias o suficiente para absorver suavemente o impacto sem causar vibrações mais rápidas que aumentem a força geral.
Trabalhando no Centro de Pesquisa de Engenharia de Brown, Antolik registrou os experimentos usando câmeras de alta velocidade e usou uma ferramenta de medição de impacto chamada acelerômetro. “Todo o canto traseiro fica um pouco molhado quando estou fazendo os experimentos”, brincou.
Os pesquisadores agora buscam os próximos passos de sua linha de pesquisa, inspirando-se nas aves mergulhadoras.
“Estudos biológicos dessas aves mostraram que elas realizam certas manobras quando entram na água para melhorar as condições, de modo que não experimentem forças tão elevadas”, disse Antolik. “O que estamos caminhando é tentar projetar o que é essencialmente um impactor robótico que pode realizar alguma manobra ativa durante a entrada na água para fazer o mesmo com objetos contundentes”.
O estudo foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa Naval e Centro de Guerra Submarina Naval.
.
