Physik der schmerzhaften Bauchklatscher

Wer beim Sprung ins Schwimmbecken etwas unelegant aufs Wasser trifft, weiß, wie unangenehm Bauchklatscher schmerzen können. Was bei einem solchen Übergang eines Körpers von der Luft ins Wasser physikalisch passiert, haben Forschende nun genauer analysiert. Wie sie in der Fachzeitschrift „ Journal of Fluid Mechanics“ berichten, können auf flexible Körper – wie etwa den Bauch – sogar stärkere Kräfte wirken als auf harte, starre Objekte.

Prallt ein Körper auf die Wasseroberfläche, „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 Strömungen und Kräfte dabei zu untersuchen, konstruierten er und sein Team einen gut 500 Gramm schweren und einige Zentimeter langen Testzylinder. Darin integrierten sie einen Sensor, um die Kräfte beim Eintauchen zu messen. Am vorderen Ende montierten sie eine gewölbte Halbschale, die über verstellbare Federn in einem kleinen Stoßdämpfer mit dem Zylinder verbunden war.

Den Zylinder ließen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in zahlreichen Versuchen aus unterschiedlichen Höhen auf eine Wasseroberfläche fallen, um die Kräfte beim Eintauchen zu ermitteln. Dabei variierten sie jeweils die Federstärken – also die Flexibilität des kleinen Stoßdämpfers. Parallel filmten sie den eintauchenden Zylinder mit einer Hochgeschwindigkeitskamera.

Je höher die Dämpfung, desto härter der Aufprall

Das Ergebnis überraschte das Team: Beim Eintauchen mit einem Stoßdämpfer wirkten teils sogar höhere Kräfte auf den Zylinder als auf einen komplett starren Körper ohne jede Dämpfung – und höhere Kräfte lassen den Aufprall schmerzhafter werden. Woran das lag, fanden Harris und sein Team nach vielen Versuchsreihen dank zusätzlicher Modellrechnungen am Computer heraus: So wurde der Stoßdämpfer beim Aufprall in Schwingung versetzt. Und diese Schwingungen verstärkten in einigen Fallversuchen die Kräfte, die auf den Zylinder wirkten. Dieser Effekt hing davon ab, wie schnell der Körper ins Wasser fiel und wie flexibel die Feder war.

Nach Aussage der Forschenden berücksichtigen beispielsweise einige Wasservögel diesen Effekt und reduzieren die Aufprallkräfte durch spezielle Flugmanöver unmittelbar vor dem Eintauchen. Und auch für den Sprung vom Sprungturm im Schwimmbad gilt: Körper mit weniger Dämpfung könnten mitunter einen weniger schmerzhaften Aufprall zur Folge haben.

Videoaufnahme des Experiments mit einem sich drehenden, vibrierenden Zylinder