Yahoo奇摩新聞 科學家找到如何減少「肚子先落水」時疼痛的訣竅
泳池邊常見的「肚皮先落水（Belly Flop）」不僅會讓人臉紅（無論是尷尬還是痛楚），還會帶來刺痛感。布朗大學的研究人員最近深入探討了這一尷尬跳水動作背後的物理原理，為這個有著百年歷史的問題提供了新的見解，這不僅僅是泳池中的問題，它的影響範圍廣泛地延伸到海軍和海洋工程領域。
一次肚皮撲水痛苦的撞擊聲源於身體與水面的碰撞時，所遇到的猛烈阻力。布朗大學工程學院的助理教授兼流體力學專家丹尼爾·哈里斯（Daniel Harris）解釋說，這是因為水面需要迅速加速，以匹配進入水中物體的速度，這產生了巨大的反作用力，隨後反彈回潛水者身上。
這項研究不僅僅關於如何完美進入泳池，或者在水中娛樂朋友；它對於海洋技術和海軍技術具有重要意義，這些技術經常需要應對類似於結構物撞擊水面時的高衝擊力。
為了更好地理解這些力量，哈里斯和他的團隊，包括研究生約翰·安托利克（John Antolik），進行了一項創新性研究。他們設計了一個類似於肚皮撲水的實驗，使用了一個有彈簧的鈍圓筒，試圖以此來軟化水面的撞擊。
找到彈性硬度與振動頻率的甜蜜點
理論很簡單：就像避震器可以緩解汽車行駛過顛簸路面時的震動，彈簧應該可以將撞擊力分散到更長的時間，從而可能減輕肚皮撲水時所經歷的驚人撞擊。為了測試這一理論，研究人員反復地將他們的「撲水筒」投入平靜的水中，並用高速攝像機捕捉動作，同時使用感測器測量力量。
研究人員原本認為，當流體撞擊到圓筒時，如果圓筒周圍有彈性結構（比如彈簧），這會減少對圓筒的撞擊力。但是，《流體力學期刊》上的一項新研究發現，情況並非總是如此。有時候，這些彈性系統反而會讓圓筒感受到更大的力量，比那些完全沒有彈性保護的剛性結構還要糟糕。
這個令人意外的發現促使研究團隊進行了更進一步的探究。他們發現，當撞擊物體的高度、彈簧的硬度以及隨之而來的振動互相作用時，這些因素共同決定了圓筒受到的真實影響。
實際上，結構在撞擊後的振動可能是好事也可能是壞事，這取決於振動和撞擊發生的時間是否協調。如果這些振動的時機不好，那麼圓筒感受到的衝擊力可能會比完全沒有緩衝的情況更糟。但研究人員找到了一種平衡方法，也就是調整彈簧的柔軟度，使其足夠柔軟來吸收撞擊力，同時又不會引起過度的振動。
雖然在泳池邊這樣的研究環境可能不那麼關鍵，但對於海洋工程和技術來說，可能帶來重大好處，為保護結構提供新方法，改善它們與水的互動。所以下次在泳池旁看到不幸的肚皮撲水時，先別急著笑，記住：這背後有科學原理，它正在為我們如何理解和互動周圍的流體世界鋪平創新之路。
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首圖來源：Getty images
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參考論文:
1.Slamming forces during water entry of a simple harmonic oscillator, Journal of Fluid Mechanics (2023).
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