要想水花压得好，你得……

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不知不觉，东京奥运会跳水项目已走过了一半的赛程，中国跳水“梦之队”的运动健儿们奋力拼搏，在双人跳水四个项目的比赛里斩获了3金1银的骄人成绩。



说到跳水这个项目，小编是从小看到大，选手在空中优美的翻腾和转体动作堪称视觉上的一大享受。


尽管看了这么多场比赛，但说实话，小编评判一个跳水动作的完美程度依旧停留在看水花大小的阶段……

（盲猜大部分朋友们的关注点也都在这儿吧）



每当看到跳水运动员能将水花压得非常小时，坐在电视机前的小编都会不由自主地惊呼一声


不过作为一个学物理的专（yè）业（yú）人（cài）士（jī），小编在感叹之余也不免思考：一石都能激起千层浪，而一整个人入水居然能做到几乎没有水花，这其中到底隐藏着什么样的奥秘？
                       
水花是怎么形成的


众所周知，当具有一定质量的物体以一定初速度落入粘滞系数较小的液体时，就会在液体表面溅起水花。

由于物体具有质量和速度，在与液体接触时就会对液面造成冲击。若液体的流动性较好（即粘滞系数低，比如自来水），就会在受到冲击时向周围运动，从而在四周溅起水花，随后又为了填补物体落下后在中间形成的空洞而回流，在中间相撞形成又一波水花。

图源：91gif.com

而如果液体的流动性较差（即粘滞系数高，比如蜂蜜），即使受到较大的冲击，液面也不易发生形变，从而不易溅起水花。

从高空落下的蜂蜜没有溅起蜜花
(图源：91gif.com)

很显然，跳水运动员所面对的泳池，里面的水必然都是粘滞系数低的液体。而且人体的质量以及从高台跳下后具有的速度都不是一个小数字。

水面在如此大的冲击力下却可以只溅起一点点水花，这必然是运动员掌握了入水时的动作要领。下面，让我们把视角切换到运动员入水前画面上。
                       
定性分析一波


通过观察比赛的慢镜头回放以及跳水过程中拍摄的照片，不难发现，能将水花压得很小的运动员，入水前的动作几乎都具有如下特点：

  • 双手：抓手平掌（一只手握住另一只手的指关节，先接触水的手呈平掌状）


  • 肘部：伸直夹紧


  • 头部：保持水平


  • 肩部：呈顶肩状（有助于夹紧手臂）


  • 胸腹部：呈收紧状


  • 腿部：呈夹紧状


  • 双脚：呈绷直状


图源：新华社（文字为小编自行加注）

我们知道跳水入水时，最先接触水面的部位是手，如果双手入水时能很好地压住水花，同时将后续入水的身体部位收紧，就能很好地集中力量而不产生额外的水花。

如此看来，入水前双手的形态对产生水花的大小起着至关重要的作用。


不过小编同时也发现，不管最后能否压住水花，几乎所有运动员都在使用这样“抓手平掌”的手势，这种手势是有什么独到之处吗？

其实历史上，曾经还出现过另外三种手势。第一种是自1975年起，我国跳水运动员开始练习“压水花”技术时采用的手势：两手相距约10cm，手掌上翻，五指伸直张开，掌心对水。

图源：参考文献[3]

由于入水时冲击力大，手型难以保持，而且双手分开降低了整个人体的流线型效果，所以压水花效果并不理想。

后来出现了两手拇指相扣，其余四指弯曲或伸直的手势。这样降低了入水时的带来的冲击，且增加了整个人体的流线型效果，在压水花效果上有了增强。

图源：参考文献[3]

图源：参考文献[3]

“抓手平掌”则是发展至今使用得最普遍的入水姿势，其动作要领是：两手相握，其中一手五指并拢伸直，另一只手握在背部，五指紧扣，手掌上翻，腕关节背屈90°，掌心对水。

图源：参考文献[3]

这种手势从表观上看，进一步减少了手掌与水的接触面积，能更大程度得减小冲击力。

但让小编疑惑的是，如果想让接触面积小，应该让两手合并指尖向下入水。为什么这种姿势没有出现过呢？看来肯定有更深层次的原因。
                       
定量分析一波

你可能想不到，现有的“压水花”技术是最初在练习“冰棍式”跳水的过程中意外发现的。

“冰棍式”跳水是双脚最先入水，训练时运动员被要求双脚呈绷直状入水，这样虽然可以有效减少水对人体的冲击，但水花很大。

脚尖一直绷直固然很累，偶尔松懈一下没有绷直脚尖，却发现勾脚入水水花反而变小了。于是这样勾脚的技术逐渐演变成了今天的“抓手平掌”。这个故事告诉我们偶尔摸鱼有时候也能推进工作（bushi）。

那为何勾脚入水就能比绷脚入水更能压住水花呢？这就需要更加深入地分析了。


建立模型


人体入水的过程本质上是一个固体冲击液体的过程，由于固体和液体本身复杂的性质，这将是一个多因素耦合的复杂模型。

但由于我们的着眼点是人体与水面刚发生接触和碰撞的阶段，所以我们可以忽略部分不重要的因素，同时将人视为刚体、将水视为理想流体，以此简化模型。

楔形刚体撞击水面


当运动员双臂上举，双手合掌呈尖锐状姿势入水时，可等价于一个楔形刚体的尖端撞击水面（如下图所示）。

图源：参考文献[2]

当发生碰撞时，与刚体接触的水会受到斜向下的力，从而沿此方向运动。

但我们也知道，液体压强随深度的增加而变大，所以这部分斜向下运动的水会因为受到深处液体更大的压力，转而向压力较小的浅处运动，最后沿着刚体侧面的方向冲出水面，形成水花。

参考文献[2]中还通过有限元分析方法对该模型进行了模拟计算。结果表明：

  • 楔形刚体的尖角越尖锐，激起的水花越高。


  • 楔形刚体的质量越大、速度越大，激起的水花越高。


方形刚体撞击水面


如果考虑上述楔形刚体钝化的极限情况（即完全没有尖角的方形刚体），按照上述的结论，激起的水花是不是应该就是最低的呢？

图源：参考文献[2]

确实如此。这是因为此时刚体对浅层液体的压力垂直向下，而深层液体又对其有向上的压力，被两面夹击的浅层液体只能沿着刚体的侧面向上运动。

但由于刚体仍在向下运动，也带动其周围的液体向下运动，这多少阻碍了部分向上运动的液体，所以最后能冲出水面的水花就少了。


说到这里咱们不能忘记之前提到的接触面积的因素，方形刚体入水时如果接触面积过大，也会激起较大的水花。

所以跳水运动员入水前要将两手叠放以减小接触面积，并且将身体收紧，让身体对水面的冲击力集中在一小块面积上。不然就会发生……


以上我们的讨论是将人体视为了刚体，但在实际跳水的过程中，由于运动员需要进行翻腾或转体的动作，在入水之前无法做到让身体呈现一个竖直的状态。

图源：IC Photo

所以运动员除了要掌握好入水时压水花的动作要领，还要精准把握起跳、空中动作、打开时机以及入水后如何控制其余身体部位垂直入水等等。

真是台上三分钟，台下十年功。能站在奥运赛场上已是一份荣耀，中国队的奥运健儿们，无论输赢，你们都是最棒的！
真没想到，原来压水花还有这么多门道。不说了，小编以后要把饺子都包成长条形（bushi）。


参考文献:


[1] 王同祥,蒋予华.对“压水花”技术的初步分析研究[J].中国体育科技,1985(08):19-25.

[2] 钱竞光,张松宁,金海泉.跳水“压水花”技术运动生物力学研究[J].体育科学,2004(12):49-53.

[3] 杜辉英.四种压水花技术比较[J].成都体育学院学报,1991(2):56-59+74.

[4]钱竞光,金海泉,胡伟,张松宁.跳水“压水花”动作的实验研究[J].上海体育学院学报,2005(04):49-52.



部分动图表情包来源网络


来源：中科院物理所



内容来自：中国科普博览

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