Прыжки в воду — популярное развлечение и вид спорта. В то время как олимпийские прыгуны стремятся к минимальным брызгам, другая дисциплина, известная как ману-джампинг, преследует противоположную цель: создать как можно больший всплеск. Родом из Новой Зеландии, от народа маори, ману-джампинг — это не только игра, но и часть культуры и соревновательный вид спорта, где побеждает тот, чей всплеск выше и шире. Действующий рекорд — всплеск высотой более 10 метров, пишет Naked Science.
Несмотря на кажущуюся простоту, создание идеального «ману» — наука. Всплеск, который видят зрители, называется всплеском Уортингтона. Он возникает после того, как тело прыгуна пробивает поверхность воды и создает воздушную полость. Именно коллапс этой полости выталкивает мощную струю воды вверх. Мастерство прыгуна заключается в том, чтобы максимально усилить этот эффект.
Понимание физики входа тел в воду имеет значение не только для спорта, но и для морской инженерии, биомеханики и робототехники. Например, это помогает проектировать более эффективные корабли или подводных роботов. До сих пор большинство исследований было сосредоточено на минимизации брызг, а не на их увеличении.
Группа гидродинамиков решила исследовать физику ману-джампинга. Результаты их работы опубликованы в журнале Interface Focus.
Ученые проанализировали 75 видеороликов с прыжками ману на YouTube, чтобы понять технику спортсменов. Они заметили, что прыгуны входили в воду ягодицами вперед, согнувшись в V-образную позу.
Сразу после погружения они резко разгибали тело, как бы откатываясь назад и отталкиваясь ногами. Это движение расширяло воздушную полость под водой. Затем полость «схлопывалась» — отсоединялась от тела и коллапсировала, выталкивая струю воды вверх. Все это происходило за доли секунды.
Исследователи измерили, что медианный V-образный угол входа прыгунов в воду составляет около 46 градусов. Чтобы проверить значение этого угла, в лаборатории создали напечатанные на 3D-принтере V-образные снаряды с разными углами и сбрасывали их в аквариум. Оказалось, что угол в 45 градусов действительно производил самые быстрые и высокие всплески. Углы больше 45 градусов повышали риск травмы от удара спиной о воду. Любопытно, что прыгуны интуитивно и путем проб и ошибок приблизились к оптимальному углу.
Далее ученые построили робота «Манубота», который имитировал движения человеческого тела при прыжке ману, включая переход из V-образной формы в прямую под водой. Это позволило изучить оптимальное время для разгибания тела. Например, для человека ростом примерно 170 сантиметров, прыгающего с метровой высоты, раскрытие тела в промежутке от 0,26 до 0,3 секунды после касания воды приводило к самым большим брызгам.
Слишком раннее или слишком позднее раскрытие уменьшало размер всплеска. Оптимальное время раскрытия тела синхронизировало передачу потенциальной энергии робота на формирование полости, производя самые сильные и вертикальные всплески Уортингтона.
В результате анализа выяснилось, что угол в 45 градусов при входе в воду уравновешивал большой размер создаваемой полости и достаточную глубину ее «отрыва» от тела. Раскрытие тела в определенное временное окно (для безразмерного времени раскрытия от 1,1 до 1,5) синхронизировало потенциальную энергию робота так, что она максимально эффективно передавалась на формирование полости, создавая идеальный вертикальный всплеск.
Конечно, человеческое тело гораздо сложнее любой модели. Такие факторы, как распределение веса, гибкость и анатомические особенности, вносят нюансы, которые пока не могут учесть 3D-снаряды и «Манубот». Тем не менее исследование показало, что создание идеального всплеска ману — не удача, а результат точно рассчитанной последовательности движений в воздухе и под водой. Это сочетание интуиции и физики.