Wer gerne von Sprungtürmen im Schwimmbad ins Becken hüpft, der weiß: Bauchklatscher sind meist eine schmerzhafte Angelegenheit. Denn wenn der Körper ins Wasser eindringt, setzt die Wasseroberfläche ihm einen Widerstand entgegen. »Plötzlich muss das Wasser beschleunigen, um die Geschwindigkeit des durch die Luft fallenden Körpers zu erreichen«, erklärt der Fluidmechaniker Daniel M. Harris von der Brown University in einer Pressemitteilung. »Wenn das passiert, wird diese große Reaktionskraft auf das fallende Objekt zurückgeworfen.« So weit ist die Physik hinter dem Phänomen gut verstanden. Doch als Harris und seine Kollegen unterschiedliche Objekte in ein Wasserbecken fallen ließen, machten sie eine erstaunliche Entdeckung. Wie sie nun in ihrer im »Journal of Fluid Mechanics« erschienenen Arbeit erklären, prallen weiche Materialien manchmal noch härter auf als vollkommen starre Körper.

Wie starre Körper in Wasser eintauchen, interessiert Fluiddynamiker schon seit Jahrzehnten. Denn die Erkenntnisse sind nicht nur für Schwimmbadbesuche interessant: Bei der Entwicklung von Schiffen, Wasserflugzeugen oder auch Raketen ist es wichtig zu verstehen, welche Kräfte auf die Objekte einwirken. »Die meisten Arbeiten in diesem Bereich befassen sich mit starren Körpern, die auf die Wasseroberfläche aufschlagen und deren Gesamtform sich als Reaktion auf den Aufprall nicht wirklich verändert«, erklärt Harris. Deshalb haben er und sein Team untersucht, wie ein halbkugelförmiges Objekt ins Wasser eintaucht, wenn es an flexiblen Gelenken befestigt ist und schwingen kann. Dafür haben die Forscher das Experiment mit unterschiedlichen Oberflächen, Massen, Aufprallgeschwindigkeiten und Gelenk-Flexibilitäten durchgeführt. Mit einem Beschleunigungssensor konnten sie ermitteln, wie stark das eingetauchte Objekt jeweils abgebremst wird.

Eigentlich hatten die Wissenschaftler erwartet, dass der Aufprall sanfter wird, je flexibler das Objekt ist. Wie das Team um Harris jedoch herausfand, stimmt das nur bis zu einem bestimmten Punkt. In manchen Fällen führt eine flexible Struktur zu einer stärkeren Auftreffkraft als bei einem starren Körper. Um das zu verstehen, haben die Forscher neben ihren Laborversuchen auch ein theoretisches Modell entwickelt. Sie erkannten, dass die beim Eintauchen einsetzenden Schwingungen die Wucht des Aufpralls unter bestimmten Umständen verstärken können. »Die Struktur vibriert durch den heftigen Aufprall hin und her«, sagt Harris. »Das kann die Situation im Grunde noch verschlimmern.« Den Knackpunkt stellen dabei die Gelenke des Aufbaus dar: Wenn diese Stoßdämpfer besitzen, können sie die Wucht des Aufpralls besser auffangen – und führen so zu dem eigentlich erwarteten, sanften Eintauchen.