De fysica van buikflops – huidige wetenschap

Iedereen die enigszins onelegant het wateroppervlak raakt wanneer hij in een zwembad duikt, weet hoe pijnlijk een buikflop kan zijn. Amerikaanse onderzoekers hebben de fysieke details van deze lucht-watertransitie nu gedetailleerder onderzocht. Uit hun analyse van de vloeistofmechanica blijkt dat er sterkere krachten kunnen inwerken op flexibele voorwerpen – zoals magen – dan op stijve, vaste voorwerpen. Wetenschappers rapporteren dit verrassende resultaat in de Journal of Fluid Mechanics.

“Tijdens de impact versnelt het water plotseling om het duikende lichaam te vertragen”, zegt Daniel Harris van het Center for Fluid Mechanics aan de Brown University in Providence. Om de krachten te bepalen die op dit moment spelen, bouwden hij en zijn team een ​​testcilinder die iets meer dan een halve kilo weegt en een paar centimeter lang is. Aan de voorkant installeerden ze een gebogen halve huls die via veren in een kleine schokdemper met de achterkant van de cilinder was verbonden. Ze integreerden een versnellingssensor in de cilinder om krachten tijdens onderdompeling te meten.

In verschillende dompelproeven vanaf verschillende valhoogtes konden de onderzoekers de krachten tijdens het onderdompelen nauwkeurig bepalen. Tegelijkertijd filmden ze deze operaties met een hogesnelheidscamera. Ze waren ook in staat om bij elke test de veerkracht, dat wil zeggen de elasticiteit van de kleine schokdemper tussen de cilinder en de schaalhelft, te variëren. Het resultaat was verrassend en onverwacht: bij onderdompeling in een schokdemper werden grotere krachten op de cilinder uitgeoefend dan bij een volledig stijf lichaam zonder enige demping.

Na een reeks experimenten en parallelle computermodellen ontdekten Harris en zijn collega’s de reden voor dit onverwachte effect. Hierdoor trilde de schokdemper bij een botsing. Deze trillingen vergroten bij sommige valtesten de krachten die op de cilinder inwerken. Dit versterkte effect hangt af van de valsnelheid en de elasticiteit van de veer, dat wil zeggen van de dempingsfactor van de schokdemper.

Volgens de onderzoekers houden sommige watervogels bijvoorbeeld rekening met dit effect en verminderen ze de botsingskrachten door speciale vliegmanoeuvres vlak voor het duiken. Poolduikkunstenaars zullen veel moeten oefenen om de beste techniek te ontwikkelen voor pijnvrije hoofdsprongen op basis van de flexibiliteit van hun lichaam.