Die Physik der Bauchklatscher

Providence (USA) - Wer beim Kopfsprung ins Schwimmbecken etwas unelegant auf die Wasserfläche auftrifft, weiß wie unangenehm Bauchklatscher schmerzen können. Die physikalischen Details bei diesem Übergang von der Luft ins Wasser haben nun amerikanische Forschende genauer untersucht. Ihre Analyse der Strömungsmechanik zeigt, dass auf flexible Körper – wie eben auch der Bauch – sogar stärkere Kräfte wirken können als auf harte, starre Objekte. Dieses überraschende Ergebnis präsentieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „ Journal of Fluid Mechanics“.

„Beim Aufprall wird das Wasser plötzlich beschleunigt, um die Geschwindigkeit des eintauchenden Körpers abzubremsen“, sagt Daniel Harris vom Zentrum für Strömungsmechanik an der Brown University in Providence. Um die in diesem Moment wirkenden Kräfte zu ermitteln, konstruierte er mit seinem Team einen gut ein halbes Kilogramm schweren Testzylinder von einigen Zentimetern Länge. Am vorderen Ende montierten sie eine gewölbte Halbschale, die über Federn in einem kleinen Stoßdämpfer mit dem hinteren Teil des Zylinders verbunden war. In den Zylinder integrierten sie einen Beschleunigungssensor, um die Kräfte beim Eintauchen zu messen.

In zahlreichen Eintauchversuchen aus unterschiedlichen Fallhöhen konnten die Forschenden die Kräfte während des Eintauchens genau ermitteln. Parallel filmten sie diese Vorgänge mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Zudem konnten sie die Federstärke – also die Flexibilität des kleinen Stoßdämpfers zwischen Zylinder und Halbschale – in jedem Versuch verändern. Das Ergebnis war überraschend und unerwartet: So wirkten beim Eintauchen mit einem Stoßdämpfer teils sogar höhere Kräfte auf den Zylinder als auf einen komplett starren Körper ohne jede Dämpfung.

Nach vielen Versuchsreihen und mit parallel durchgeführten Modellierungen am Computer fanden Harris und Kollegen den Grund für diesen unerwarteten Effekt. So wurde der Stoßdämpfer beim Aufprall in Schwingung versetzt. Und diese Schwingungen verstärkten in einigen Fallversuchen die auf den Zylinder wirkenden Kräfte. Dieser verstärkende Effekt hing dabei von der Fallgschwindigkeit und von der Flexibilität der Feder – also vom Dämpfungsfaktor des Stoßdämpfers – ab.

Nach Aussage der Forschenden berücksichtigen beispielsweise einige Wasservögel dieses Effekt und reduzieren die Aufprallkräfte durch spezielle Flugmanöver unmittlbar vor dem Eintauchen. Sprungkünstler im Schwimmbad müssten entsprechend viel trainieren, um je nach Flexibilität des eigenen Körpers die beste Technik für schmerzfreie Kopfsprünge zu entwickeln.