Otaliga gånger om dagen, sjöfåglar dyker och fångar byten från havet, båtar kommer in i vattnet från torra land, och sjöflygplan landar försiktigt bland vågorna. Fenomenet att föremål kommer in i vatten är vanligt, men en fullständig förståelse av fysiken för vatteninträde förblir svårfångad, särskilt när det gäller fall där ett fast föremål kommer in i en vattenförekomst som innehåller andra fasta föremål, som en mås som dyker ner i en stenig havsyta.

Ett team av forskare vid NYU Tandon School of Engineering utforskar detta relativt orörda forskningsområde och har publicerat en rad överraskande fynd som kan leda till strategier för att minimera påfrestningen av vatteninträde på marina fartyg, sjöflygplan, och rymdbesättningskapslar designade för vattenlandning.

"Många studier av vatteninträde förbiser närvaron av fasta ämnen, stationära föremål som is eller stenar i vattnet, och det är tydligt att dessa föremål kan påverka föremål som kommer in i vattnet och förändra påverkans fysik, sade Maurizio Porfiri, professor i mekanisk och rymdteknik vid NYU Tandon och huvudförfattare till artikeln "Solid Obstacles Can Reduce Hydrodynamic Loading Under Water Entry, " som står i journalen Fysiska granskningsvätskor . Porfiris samarbetspartners inkluderar NYU Tandon Adjunct Faculty Member Ghania Benbelkacem, vid institutionen för maskin- och rymdteknik, och Mohammad Jalalisendi, en ny doktorsexamen i Porfiris grupp.

Porfiri och hans medarbetare i Dynamical Systems Laboratory skapade ett experiment med en solid kil som störtade in i en tank med vatten innehållande en neutralt flytande cylinder. Sensorer i inställningen mätte acceleration, tryck, och djup, och teamet använde partikelbildhastighet för att visualisera flödet och mäta hastigheten på vattenstrålar som produceras av kilen när den träffade vattnet. Analyser avslöjade att cylinderns närvaro i vattnet dramatiskt förändrade fysiken för påverkan på kilen på oväntade sätt.

Till forskarnas förvåning, de noterade en minskning av trycket i pile-up - området av vätskan där en höghastighetsstråle produceras när kilen landar - på sidan av kilen närmast cylindern. Porfiri och teamet tillskrev denna minskning till cylinderns inneslutningsvätska på den sidan, så att mindre vatten förträngdes vid kollisionen. Dock, i ett motsägelsefullt fynd, laget noterade ett ökat tryck mot kilens köl, indikerar en rik, komplex effekt från cylindern. Ytterligare studier behövs för att förena dessa motstridiga resultat, men forskarna noterar vikten av att fortsätta utforska samspelet mellan stationära föremål i vatten och föremål som kommer in i vattnet.

"Det är tydligt att det finns sympatiska interaktioner mellan dessa objekt, och när vi får en bättre förståelse för dem, det kan leda till konstruktioner och material som mildrar en del av belastningen på marina fartyg som färdas i tilltäppta vatten, särskilt de som utforskar och navigerar i polära områden, sa Porfiri.