本文来自微信公众号:中科院物理所(ID:cas-iop),作者:Eric,头图来自:视觉中国


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:牛!


不过作为一个学物理的专(yè)(yú)(cài)(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
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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
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)
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]
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]


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]
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]
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]
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。


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.


本文来自微信公众号:中科院物理所(ID:cas-iop),作者:Eric