Was uns die Physik des Springens von Steinen über die Wasserlandung von Flugzeugen sagen kann

Vergrößern / Experimente chinesischer Physiker haben die komplizierte Physik beim Springen eines Steins über die Wasseroberfläche weiter beleuchtet. Ihre Ergebnisse zeigten Schlüsselfaktoren auf, die die Wasserlandung in der Raumfahrt nach dem Wiedereintritt beeinflussen könnten.

Zu lernen, wie man Steine ​​über einen See oder Teich springt, ist eine altehrwürdige Kindheitstradition. Die zugrunde liegende Physik des Springens von Steinen könnte laut einem kürzlich in der Zeitschrift Physics of Fluids veröffentlichten Artikel auch ein nützliches Modell für die Landung von Flugzeugen oder Raumfahrzeugen auf dem Wasser sein. Chinesische Physiker haben genau ein solches Modell gebaut und es verwendet, um die entscheidenden Faktoren dafür zu klären, wie oft ein Stein (oder ein Raumfahrzeug) beim Aufprall auf das Wasser abprallt.

Das Springen von Steinen ist ein natürliches Alltagsphänomen, das Physiker faszinieren würde, auch wenn die Grundkonzepte auf den ersten Blick einfach erscheinen. Es kommt alles auf Spin, Geschwindigkeit, Form des Steins und Winkel an. Wenn der Stein auf das Wasser trifft, drückt die Kraft des Aufpralls einen Teil des Wassers nach unten, sodass der Stein wiederum nach oben gedrückt wird. Wenn sich der Stein schnell genug bewegt, um eine minimale Geschwindigkeitsschwelle zu erreichen, springt der Stein; wenn nicht, wird es sinken. Ein runder, flacher Stein ist am besten, einfach weil seine Oberfläche beim Überspringen mehr Wasser verdrängt.

Experimente der französischen Physiker Lyderic Bocquet und Christophe Clanet im Jahr 2004 zeigten dies. Sie bauten ein Katapultgerät, um Aluminiumscheiben auf einen Wassertank zu werfen, und zeichneten dann die Spritzer mit Hochgeschwindigkeitsvideo auf. Sie erfuhren, dass sich der springende Stein mit einer minimalen Rotationsgeschwindigkeit (mindestens einmal während seiner Kollisionszeit) drehen muss, um stabil zu sein. Mit anderen Worten, ein springender Stein beruht auf dem Kreiseleffekt, bei dem ein um seine eigene Achse rotierender Körper dazu neigt, seine eigene Richtung beizubehalten. (Es verhindert auch, dass ein Kreisel umkippt.) Erfahrene Steinspringer wenden diese Drehung normalerweise mit einer einfachen Fingerbewegung auf den Stein an.

Lesen Sie auch  CTO von Shutterfly spricht über die Umstellung auf die Cloud

Die Experimente von Bocquet und Clanet halfen ihnen herauszufinden, wie die Anzahl der Abpraller am besten maximiert werden konnte. Die naheliegende Lösung besteht darin, den Stein so schnell wie möglich zu werfen, da die Anzahl der Abpraller proportional zur Wurfgeschwindigkeit ist. Dies muss jedoch abgewogen werden gegen die Fähigkeit, die Geschwindigkeit und Richtung des Wurfs zu kontrollieren. Selbst mit ihrer Katapultmaschine schafften die französischen Physiker nur etwa 20 Sprünge – deutlich weniger als der aktuelle Weltrekord von 88 Sprüngen aus dem Jahr 2013.

Sie gewannen weitere Erkenntnisse, indem sie untersuchten, was den Stein dazu bringt, nicht mehr zu überspringen. Es liegt nicht daran, dass der Stein langsamer wird; vielmehr flacht seine Flugbahn im Laufe der Zeit ab. Bocquet und Clanet kamen zu dem Schluss, dass dies auf den Winkel zurückzuführen ist, in dem sich der Stein relativ zur Wasseroberfläche bewegt. Der Stein verdrängt mehr Wasser, wenn er sich nach unten bewegt, als wenn er sich nach oben bewegt, so dass mit der Zeit immer weniger Impulsübertragung stattfindet und der Auftrieb allmählich reduziert wird. Irgendwann hat der Stein nicht mehr genügend Energie zum Überspringen und er sinkt. Ihre Experimente zeigten, dass der optimale Winkel zwischen der Steinebene und der Wasseroberfläche zwischen 10 und 20 Grad beträgt.

Schematische Darstellung der Startvorrichtung und Nahaufnahme des Datenerfassungssystems.
Vergrößern / Schematische Darstellung der Startvorrichtung und Nahaufnahme des Datenerfassungssystems.

Kun Zhao

Im Jahr 2014 experimentierte ein Team der Utah State University damit, elastische Kugeln über die Wasseroberfläche zu hüpfen und die Dynamik mit einer Hochgeschwindigkeitskamera einzufangen. Die Kugeln sind elastischer als Felsen und verformen sich daher beim Auftreffen auf das Wasser zu Scheiben, die die ideale Form für einen springenden Stein annehmen. Da sich die Kunststoffkugeln unabhängig vom Auftreffwinkel verformen können und eine niedrigere Geschwindigkeitsschwelle haben, ist es viel einfacher, mit ihnen mehr Sprünge zu erzielen. Tatsächlich schafft jeder nach nur 10 Minuten Übung gut 20 Sprünge mit einer Plastikkugel, so der USU-Physiker und Co-Autor Tadd Truscott.

Lesen Sie auch  Es wird Zeit: Die Google Pixel Watch kommt diesen Herbst

Abgesehen vom Spaßfaktor gibt es eine lange Geschichte von Wissenschaftlern, die die Lektionen des Springens von Steinen auf reale Anwendungen anwenden. Um 1578 bemerkte der Mathematiker William Bourne zum Beispiel, dass Kanonenkugeln, die von Schiffen in einem ausreichend niedrigen Winkel abgefeuert wurden, über die Wasseroberfläche abprallen, auf Decks prallen und Masten der Zielschiffe brechen könnten. Und während des Zweiten Weltkriegs entwickelte der britische Ingenieur Barnes Wallis das berüchtigte Design der “hüpfenden Bombe”, bei dem die Waffe über das Wasser hüpfte, bevor sie das Ziel traf, dann sank und unter Wasser explodierte, ähnlich einer Wasserbombe. Die Royal Air Force setzte 1943 abprallende Bomben gegen Deutschland ein.

Noch direkter relevant für die aktuelle Veröffentlichung, führte Theodore von Karman 1929 mehrere Experimente durch, um den maximalen Druck auf Wasserflugzeuge bei Wasserlandungen zu bestimmen, und 1932 zeigte Herbert Wagner, dass es beim Start und Landen eines Wasserflugzeugs im Wesentlichen um Aufprall und Rutschen ging auf einer Flüssigkeitsoberfläche. “[Wagner] haben darauf hingewiesen, dass die Aufprallvorgänge eindeutig durch die anfängliche Bewegung der Flüssigkeit und den Bewegungsverlauf des Körpers vorgegeben sind”, schreiben die chinesischen Co-Autoren dieser neuesten Arbeit in ihrer Einleitung.

Für ihre neue Forschung konzentrierte sich das chinesische Team auf das Springen (Skipping) und das Surfen, bei dem die Scheibe oder der Stein über die Oberfläche gleiten und niemals hüpfen. Die Forscher entwickelten ein eigenes theoretisches Modell des Phänomens, das nicht nur den oben erwähnten Kreiseleffekt, sondern auch den Magnus-Effekt einbezog. Es ist seit langem bekannt, dass die Bewegung eines Baseballs zum Beispiel einen Luftstrudel um ihn herum erzeugt. Die erhöhten Nähte wirbeln die Luft um den Ball herum, wodurch an verschiedenen Stellen (je nach Spielfeldart) Hochdruckzonen entstehen, die zu Abweichungen in seiner Flugbahn führen können. Ähnliches passiert beim Springen von Steinen.

Lesen Sie auch  Der Klimawandel könnte den Anstieg der durch Mücken übertragenen Viren in NWT ankurbeln, sagen Gesundheitsbehörden
Chronofotografie des Springsteins, aufgenommen mit einer Aluminiumscheibe.
Vergrößern / Chronofotografie des Springsteins, aufgenommen mit einer Aluminiumscheibe.

Jie Tang et al./Physics of Fluids 2021

Um ihr Modell zu testen, erstellten die chinesischen Wissenschaftler einen Versuchsaufbau mit einer flachen Aluminiumscheibe und einem Startsystem mit einem bürstenlosen Motor, um sicherzustellen, dass die Scheibe die erforderlichen Geschwindigkeiten erreicht. Das Startsystem benutzte Luftstöße eines Kompressors, um die Geschwindigkeit der Scheibe auf ihrem Weg zum Wasser zu steuern. Die Forscher befestigten eine Nylonkappe an der Scheibe und verbanden sie über einen Magnetfuß mit dem Werfer. Die Kappe enthielt auch ein Trägheitsnavigationsmodul, um die Daten während des Starts, des “Fluges” und der Landung zu messen und zu sammeln und diese Daten über eine Bluetooth-Verbindung an einen Computer zu übertragen.

Das Team stellte fest, dass die kritische Schwelle für die vertikale Beschleunigung das Vierfache der Erdbeschleunigung (4 g) beträgt. Die Scheibe oder der Stein surfen eher, wenn die vertikale Beschleunigung etwas geringer ist (3,8 g), während die Mindestschwelle, bei der ein Stein überspringen kann, bei 3,05 g liegt.

Die Forscher stellten auch fest, dass es die Kombination aus dem Kreiseleffekt und dem Magnus-Effekt ist, die beide entstehen, wenn der sich drehende Stein auf die Flüssigkeit trifft, die die Ablenkung seiner Flugbahn beeinflusst. Die Richtung dieser Ablenkung wird wiederum durch die Drehrichtung des Steins (im oder gegen den Uhrzeigersinn) gesteuert. Dreht sich der Stein im Uhrzeigersinn, biegt sich die Umlenkung nach rechts; im Gegenuhrzeigersinn biegt sich die Ablenkung nach links. Das Spinnen hilft, den Angriffswinkel zu stabilisieren, wodurch günstige Bedingungen für den kontinuierlichen Abprall des Steins geschaffen werden.

„Angemessene Angriffswinkel und horizontale Geschwindigkeiten sind die Schlüsselfaktoren bei der Erzeugung ausreichender hydrodynamischer Kräfte, um die Abprallbedingungen zu erfüllen“, schlossen die Autoren. “Unsere Ergebnisse bieten eine neue Perspektive, um zukünftige Studien in der Luft- und Raumfahrttechnik und Schiffstechnik voranzubringen”, fügte Ko-Autor Kung Zhao vom Beijing Electromechanical Engineering Institute hinzu. Diese Perspektive ist am bemerkenswertesten in Bezug auf Wasserlandungen von Raumflug-Wiedereintrittsfahrzeugen und -flugzeugen sowie “Hull Slamming” (Eintreiben eines Schiffsrumpfes in den Querschnitt des Rumpfes eines anderen Schiffes) und die Verbesserung der Torpedokonstruktionen.

DOI: Physik der Fluide, 2021. 10.1063/5.0040158 (Über DOIs).

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.