Фізики побудували модель безпечного пірнання у воду з висоти

Американські вчені створили тривимірні моделі людей і тварин із датчиками сили та занурювали їх у воду з різної висоти. Так вдалося побачити, як морфологія птахів, морських свиней та навіть ящірок сприяє безпечному пірнанню, а також вирахувати максимальну безпечну висоту для людей, причому враховуючи різні пози для пірнання. Наприклад, для пірнання руками вперед вона складає 12 метрів. Дослідження опубліковане у журналі Science Advances.

Anupam Pandey et al. / Science Advances, 2022

Anupam Pandey et al. / Science Advances, 2022

Пронизуючи межу розділу повітря-вода і продовжуючи рух через об'єм рідини, об'єкт демонструє безліч феноменологічних явищ: розбризкування, утворення бульбашок, брижі, які виникають у результаті взаємодії ефектів інерції, поверхневого натягу, гравітації та в'язкості. І пірнання у воду порушує безліч питань: яку силу відчуває ударний фронт, як ця сила змінюється за різних поз того, хто пірнає, а також головне — коли ця сила досягає критичної межі заподіяння шкоди. Тому, щоб зрозуміти динаміку ударів при зануренні, дослідники Корнелльського університету побудували 3D-моделі голови морської свині (Phocoena phocoena), дзьоба атлантичної сули (Morus bassanus) та стопи ящірки-василіска (Basiliscus basiliscus), а також і людей у різних пірнальних позах, так занурювали їх з різної висоти у воду.

На відміну від тварин, які часто мають анатомічні особливості, які допомагають впоратися з силою удару об воду, у людей немає ні прямої необхідності пірнати, ні можливості якось компенсувати удар. Тому аматорський дайвінг є однією з основних причин травм голови та спинного мозку у США. Використані у дослідженні моделі тварин приблизно за динамікою входження у воду відповідають трьом позам для пірнання, які обирають люди: головою вперед, руками вперед та входження у воду ногами. Так та частина, яка долає межу повітря-вода, має вигнуту, загострену та плоску форму відповідно, а силу зіткнення з водою вимірювали датчики, розміщені на 3D-друкованих моделях.

Anupam Pandey et al. / Science Advances, 2022

Anupam Pandey et al. / Science Advances, 2022

Так вдалося побачити, що щоразу, коли висота пірнання така, що сила удару перевищує критичну силу стиснення м'язів, зв'язок чи кісток, виникають травми. За допомогою гідродинамічної моделі автори роботи показали, що верхня частина тулуба людини, включаючи шийний відділ хребта і ключицю, є вразливою для травм на висоті понад 8 і 12 метрів при пірнанні головою та руками вперед відповідно. При пірнанні ж ногами, критичну висоту вирахували як 15 метрів. Але автори наголошують, що їхня модель є консервативною та не враховує, що люди можуть регулювати натяг зв'язок та напруження м'язів, що може компенсувати силу удару, а тому професійні спортсмени можуть стрибати і з висоти до 26 метрів.


Фото в анонсі: Anupam Pandey, Jisoo Yuk, and Sungwhan Jung