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探索不同球形物体撞击水面时会发生什么

导读 当物体垂直撞击水体时,它会受到周围水流产生的强大水动力的推动,从而向前移动。已知这种力的大小取决于撞击水体的物体的质量。虽然这一一...

当物体垂直撞击水体时,它会受到周围水流产生的强大水动力的推动,从而向前移动。已知这种力的大小取决于撞击水体的物体的质量。

虽然这一一般规则对于扁平物体和球形物体都适用,但扁平物体所受的力还受到另一个因素的影响。具体而言,扁平物体中滞留的气体层会改变其流体动力学,导致峰值压力低于水击理论所预测的压力。

水击理论是一种物理构造,它描述了当流动的流体突然停止或向不同方向摆动时发生的情况。该理论认为,这种运动的停止或突然变化会在流体中产生压力或波浪的激增,也称为水击效应。

虽然水击理论可用于预测不同流体系统中出现的压力,但它无法预测扁平物体垂直撞击水时产生的流体动力。有趣的是,一些曲率较低的球形物体(如椭圆形球形鹅卵石)在与水体撞击后有时会表现得像扁平物体一样。

海军水下作战中心纽波特分部、杨百翰大学和阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 的研究人员开展了一项研究,旨在描绘球形物体开始表现为扁平物体时的曲率。他们的论文发表在《物理评论快报》上,提出了挑战扁平物体在水中会受到最大冲击力这一既定信念的证据。

论文共同作者杰西·贝尔登 (Jesse Belden) 告诉 Phys.org:“我们感兴趣的是测量扁平鼻状物体撞击平坦水面时产生的水冲击力。”

“长期以来,文献中一直认为,这种情况会产生最大的冲击力(与其他机头几何形状相反)。然而,在本文中,我们发现,在机头上施加一个非常轻微的正曲率,就会使冲击力大大超过平鼻机身测得的冲击力。”

为了进行测试,贝尔登和他的同事设计了一个独特的实验体,然后将其附着在不同形状的物体上。该实验体中嵌入了一个加速度计,研究人员可以直接测量物体的水冲击力。

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