任何曾经在游泳池里翻滚过的人都知道，最终会发出一声生硬的“啪”的一声、溅起一大片水花和灼热的红色刺痛。大多数人不知道的是为什么。

丹尼尔·哈里斯确实如此。布朗大学工程学院的助理教授表示，这种现象背后的物理原理并不太复杂。他解释说，所发生的事情——以及让它如此痛苦的原因——是来自水面的力量对突然从空气到水的身体产生了强烈的阻力，而水通常是静止的。

“突然之间，水必须加速才能赶上空气中下落的速度，”研究流体力学的哈里斯说。“当这种情况发生时，巨大的反作用力会被发送回任何正在产生影响的物体，从而导致标志性的猛击。”

在流体力学中，这种情况如何以及为何发生，不仅对于开发一种获奖的比赛用腹部翻转很重要，或者在泳池派对上分享为什么腹部翻转会造成如此大的伤害，这种理解对于海军和海洋工程来说也至关重要。通常具有需要承受高冲击力的空气对水撞击力的结构。因此，在过去的一个世纪里，人们对这种现象进行了深入的研究。但由哈里斯和布朗研究生约翰·安托利克领导的研究小组在与纽波特海军水下作战中心和杨百翰大学的学者合作进行的一项新研究中发现了新颖的见解。

在《流体力学杂志》的研究中，研究人员使用钝圆柱体进行了类似腹部翻转的水实验，但在其中添加了重要的振动扭曲，这最终导致他们得出了违反直觉的发现。

哈里斯说：“在这个空间中所做的大部分工作都是着眼于刚体撞击水中，其整体形状并没有真正改变或移动以响应撞击。” “我们开始提出的问题是：‘如果撞击的物体是柔性的，一旦感受到力就可以改变形状或变形呢?这如何改变物理学，更重要的是，改变这些结构上感受到的力?”

为了回答这个问题，研究人员在圆柱体上安装了一个柔软的“鼻子”，称为冲击器，并配有柔性弹簧系统。

安托利克解释说，这个想法是，弹簧的作用原理与汽车悬架类似，应该通过在较长时间内分散冲击载荷来帮助减轻冲击力。这种策略已被提出作为一种潜在的解决方案，以减少空气到水过渡时有时发生的灾难性撞击影响，但很少有实验仔细研究所涉及的基本力学和物理学。

在这个实验中，研究人员将圆筒反复放入静止的水中，并分析了视觉结果和嵌入圆筒内的传感器的数据。

就在这时，意想不到的事情发生了。

结果表明，虽然该策略可能有效，但令人惊讶的是，它并不总是能减轻影响。事实上，与传统思维相反，有时与完全刚性的结构相比，更灵活的系统可以增加对身体的最大冲击力。

这迫使研究人员进行更深入的挖掘。通过大量的实验和建立理论模型，他们找到了答案。根据冲击器掉落的高度和弹簧的刚度，身体不仅会感受到猛击的冲击力，还会感受到结构进入水中时的振动，从而加剧猛击力。

哈里斯说：“由于剧烈的撞击，该结构正在前后振动，因此我们从撞击流体的冲击和由于结构自身晃动而产生的振动中获得了读数。” “如果你没有把握好时机，基本上会让情况变得更糟。”

研究人员发现关键在于弹簧：它们必须足够柔软，才能轻轻地吸收冲击力，而不会导致更快速的振动，从而增加整体力。

安托利克在布朗工程研究中心工作，使用高速摄像机记录实验，并使用一种称为加速度计的冲击测量工具。“当我做实验时，整个后角都有点湿，”他开玩笑说。

研究人员现在正在研究他们的研究路线的下一步，从潜水鸟类中汲取灵感。

安托利克说：“对这些鸟类的生物学研究表明，它们在进入水中时会进行某些动作以改善环境，这样它们就不会受到如此大的力量。” “我们正在努力尝试设计一种本质上是机器人冲击器，它可以在入水期间执行一些主动操作，以对钝器执行相同的操作。”