Quiconque a déjà fait un ventre plat dans une piscine sait que cela se termine par un bruit sourd, une grosse éclaboussure et une piqûre rouge brûlante. Ce que la plupart des gens ne savent pas, c’est pourquoi.
Daniel Harris le fait. Le professeur adjoint de la faculté d’ingénierie de l’université Brown affirme que la physique derrière le phénomène n’est pas trop complexe. Ce qui se produit -; et ce qui le rend si douloureux, explique-t-il – ; est que les forces de la surface de l’eau opposent une résistance féroce au corps qui passe soudainement de l’air à l’eau, qui est souvent immobile.
« Tout d’un coup, l’eau doit accélérer pour rattraper la vitesse de ce qui tombe dans l’air », a expliqué Harris, qui étudie la mécanique des fluides. « Lorsque cela se produit, cette grande force de réaction est renvoyée vers la personne à l’origine de l’impact, ce qui conduit à cette claque caractéristique. »
Comment et pourquoi cela se produit en mécanique des fluides n’est pas seulement important pour développer une bascule abdominale primée pour les compétitions, ou pour organiser des anecdotes au bord de la piscine sur les raisons pour lesquelles les bascules abdominales font si mal – ; cette compréhension est essentielle pour l’ingénierie navale et maritime, dont les structures doivent souvent résister aux forces de choc air-eau à fort impact. C’est pour cette raison que le phénomène a été étudié de manière approfondie au cours du siècle dernier. Mais une équipe de recherche dirigée par John Antolik, étudiant diplômé de Harris et Brown, a trouvé de nouvelles informations dans une nouvelle étude réalisée en partenariat avec des chercheurs du Naval Undersea Warfare Center de Newport et de l’Université Brigham Young.
Pour le Journal de mécanique des fluides Dans cette étude, les chercheurs ont mis en place une expérience sur l’eau semblable à une bascule en utilisant un cylindre émoussé mais en y ajoutant une torsion vibrante importante, ce qui les a finalement conduits à des résultats contre-intuitifs.
La plupart des travaux réalisés dans cet espace portent sur des corps rigides s’écrasant dans l’eau, dont la forme globale ne change pas vraiment ou ne bouge pas en réponse à l’impact. Les questions auxquelles nous commençons à nous poser sont les suivantes : « Et si l’objet qui subit l’impact était flexible de sorte qu’une fois qu’il ressent la force, il puisse changer de forme ou se déformer ? » Comment cela change-t-il la physique et donc, plus important encore, les forces ressenties sur ces structures ? »
Daniel Harris, Université Brown
Pour répondre à cette question, les chercheurs ont fixé au corps de leur cylindre un « nez » souple, appelé impacteur, doté d’un système de ressorts flexibles.
L’idée, explique Antolik, est que les ressorts – ; qui agissent en principe de manière similaire à la suspension d’une voiture – ; devrait aider à atténuer l’impact en répartissant la charge d’impact sur une période plus longue. Cette stratégie a été évoquée comme une solution potentielle pour réduire les impacts parfois catastrophiques des chocs lors des transitions air-eau, mais peu d’expériences ont jamais examiné de près la mécanique et la physique fondamentales impliquées.
Pour cette expérience, les chercheurs ont laissé tomber le cylindre à plusieurs reprises dans de l’eau calme et ont analysé à la fois les résultats visuels et les données des capteurs intégrés à l’intérieur du cylindre.
C’est là que l’inattendu s’est produit.
Les résultats montrent que même si la stratégie peut être efficace, étonnamment, elle n’atténue pas toujours son impact. En fait, contrairement à la pensée conventionnelle, le système le plus flexible peut parfois augmenter la force d’impact maximale sur le corps par rapport à une structure entièrement rigide.
Cela a obligé les chercheurs à creuser plus profondément. Grâce à des expériences approfondies et en développant un modèle théorique, ils ont trouvé leur réponse. En fonction de la hauteur à partir de laquelle l’impacteur tombe et de la rigidité des ressorts, le corps ressentira non seulement l’impact du claquement, mais il ressentira également les vibrations de la structure lorsqu’elle entre dans l’eau, aggravant ainsi la force de claquement.
« La structure vibre d’avant en arrière en raison de l’impact violent, nous avons donc obtenu des lectures à la fois de l’impact de la collision avec le fluide et d’une oscillation parce que la structure se secoue d’elle-même », a déclaré Harris. « Si vous ne les chronométrez pas correctement, vous pouvez aggraver la situation. »
Les chercheurs ont découvert que la clé réside dans les ressorts : ils doivent être suffisamment souples pour absorber en douceur l’impact sans entraîner de vibrations plus rapides qui s’ajoutent à la force globale.
Travaillant au centre de recherche en ingénierie de Brown, Antolik a enregistré les expériences à l’aide de caméras à grande vitesse et a utilisé un outil de mesure d’impact appelé accéléromètre. « Tout le coin arrière est un peu mouillé quand je fais les expériences », a-t-il plaisanté.
Les chercheurs examinent maintenant les prochaines étapes de leur recherche, en s’inspirant des oiseaux plongeurs.
« Les études biologiques de ces oiseaux ont montré qu’ils effectuent certaines manœuvres lorsqu’ils entrent dans l’eau pour améliorer les conditions afin qu’ils ne subissent pas de forces aussi élevées », a déclaré Antolik. « Ce vers quoi nous nous dirigeons, c’est d’essayer de concevoir ce qui est essentiellement un impacteur robotique capable d’effectuer une manœuvre active lors de l’entrée dans l’eau pour faire de même avec des objets contondants. »
L’étude a été soutenue par le Bureau de recherche navale et le Naval Undersea Warfare Center.
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