要想水花壓得好，你得……_風聞

原創：中科院物理所

　　不知不覺，東京奧運會跳水項目已走過了一半的賽程，中國跳水“夢之隊”的運動健兒們奮力拼搏，在雙人跳水四個項目的比賽裏斬獲了3金1銀的驕人成績。

　　左右滑動欣賞更多精彩瞬間 | 圖源：新華社

　　從今天開始直至7日，單人跳水的四個項目將展開角逐，讓我們一起期待“夢之隊”在接下來比賽中的精彩表現吧。

　　説到跳水這個項目，小編是從小看到大，選手在空中優美的翻騰和轉體動作堪稱視覺上的一大享受。

　　儘管看了這麼多場比賽，但説實話，小編評判一個跳水動作的完美程度依舊停留在看水花大小的階段……（盲猜大部分朋友們的關注點也都在這兒吧

　　）

　　每當看到跳水運動員能將水花壓得非常小時，坐在電視機前的小編都會不由自主地驚呼一聲

　　不過作為一個學物理的專（yè）業（yú）人（cài）士（jī），小編在感嘆之餘也不免思考：一石都能激起千層浪，而一整個人入水居然能做到幾乎沒有水花，這其中到底隱藏着什麼樣的奧秘？

　　水花是怎麼形成的

　　眾所周知，當具有一定質量的物體以一定****初速度落入粘滯係數較小的液體時，就會在液體表面濺起水花。

　　由於物體具有質量和速度，在與液體接觸時就會對液麪造成衝擊。若液體的流動性較好（即粘滯係數低，比如自來水），就會在受到衝擊時向周圍運動，從而在四周濺起水花，隨後又為了填補物體落下後在中間形成的空洞而迴流，在中間相撞形成又一波水花。

　　圖源：91gif.com

　　而如果液體的流動性較差（即粘滯係數高，比如蜂蜜），即使受到較大的衝擊，液麪也不易發生形變，從而不易濺起水花。

　　從高空落下的蜂蜜沒有濺起蜜花 | 圖源：91gif.com

　　很顯然，跳水運動員所面對的泳池，裏面的水必然都是粘滯係數低的液體。而且人體的質量以及從高台跳下後具有的速度都不是一個小數字。

　　水面在如此大的衝擊力下卻可以只濺起一點點水花，這必然是運動員掌握了入水時的動作要領。下面，讓我們把視角切換到運動員入水前畫面上。

　　定性分析一波

　　通過觀察比賽的慢鏡頭回放以及跳水過程中拍攝的照片，不難發現，能將水花壓得很小的運動員，入水前的動作幾乎都具有如下特點：

　　雙手：抓手平掌（一隻手握住另一隻手的指關節，先接觸水的手呈平掌狀）

　　肘部：伸直夾緊

　　頭部：保持水平

　　肩部：呈頂肩狀（有助於夾緊手臂）

　　胸腹部：呈收緊狀

　　腿部：呈夾緊狀

　　雙腳：呈繃直狀

　　圖源：新華社（文字為小編自行加註）

　　我們知道跳水入水時，**最先接觸水面的部位是手，**如果雙手入水時能很好地壓住水花，同時將後續入水的身體部位收緊，就能很好地集中力量而不產生額外的水花。

　　如此看來，入水前雙手的形態對產生水花的大小起着至關重要的作用。

　　不過小編同時也發現，不管最後能否壓住水花，幾乎所有運動員都在使用這樣**“抓手平掌”**的手勢，這種手勢是有什麼獨到之處嗎？

　　其實歷史上，曾經還出現過另外三種手勢。第一種是自1975年起，我國跳水運動員開始練習“壓水花”技術時採用的手勢：兩手相距約10cm，手掌上翻，五指伸直張開，掌心對水。

　　圖源：參考文獻[3]

　　由於入水時衝擊力大，手型難以保持，而且雙手分開降低了整個人體的流線型效果，所以壓水花效果並不理想。

　　後來出現了兩手拇指相扣，其餘四指彎曲或伸直的手勢。這樣降低了入水時的帶來的衝擊，且增加了整個人體的流線型效果，在壓水花效果上有了增強。

　　圖源：參考文獻[3]

　　圖源：參考文獻[3]

　　“抓手平掌”則是發展至今使用得最普遍的入水姿勢，其動作要領是：兩手相握，其中一手五指併攏伸直，另一隻手握在背部，五指緊扣，手掌上翻，腕關節背屈90°，掌心對水。

　　圖源：參考文獻[3]

　　這種手勢從表觀上看，進一步減少了手掌與水的接觸面積，能更大程度得減小衝擊力。

　　但讓小編疑惑的是，如果想讓接觸面積小，應該讓兩手合併指尖向下入水。為什麼這種姿勢沒有出現過呢？看來肯定有更深層次的原因。

　　定量分析一波

　　你可能想不到，現有的“壓水花”技術是最初在練習**“冰棍式”跳水的過程中意外發現**的。

　　“冰棍式”跳水是雙腳最先入水，訓練時運動員被要求雙腳呈繃直狀入水，這樣雖然可以有效減少水對人體的衝擊，但水花很大。

　　腳尖一直繃直固然很累，偶爾鬆懈一下沒有繃直腳尖，卻發現勾腳入水水花反而變小了。於是這樣勾腳的技術逐漸演變成了今天的“抓手平掌”。這個故事告訴我們偶爾摸魚有時候也能推進工作（bushi）

　　那為何勾腳入水就能比繃腳入水更能壓住水花呢？這就需要更加深入地分析了。

　　建立模型

　　2020 

　　OLYMPIC GAMES

　　人體入水的過程本質上是一個固體衝擊液體的過程，由於固體和液體本身複雜的性質，這將是一個多因素耦合的複雜模型。

　　但由於我們的着眼點是人體與水面剛發生接觸和碰撞的階段，所以我們可以忽略部分不重要的因素，同時將人視為剛體、將水視為理想流體，以此簡化模型。

　　楔形剛體撞擊水面

　　2020 

　　OLYMPIC GAMES

　　當運動員雙臂上舉，雙手合掌呈尖鋭狀姿勢入水時，可等價於一個楔形剛體的尖端撞擊水面（如下圖所示）。

　　圖源：參考文獻[2]

　　當發生碰撞時，與剛體接觸的水會受到斜向下的力，從而沿此方向運動。

　　但我們也知道，液體壓強隨深度的增加而變大，所以這部分斜向下運動的水會因為受到深處液體更大的壓力，轉而向壓力較小的淺處運動，最後沿着剛體側面的方向衝出水面，形成水花。

　　參考文獻[2]中還通過有限元分析方法對該模型進行了模擬計算。結果表明：

　　楔形剛體的尖角越尖鋭，激起的水花越高。

　　楔形剛體的質量越大、速度越大，激起的水花越高。

　　方形剛體撞擊水面

　　2020 

　　OLYMPIC GAMES

　　如果考慮上述楔形剛體鈍化的極限情況（即完全沒有尖角的方形剛體），按照上述的結論，激起的水花是不是應該就是最低的呢？

　　圖源：參考文獻[2]

　　確實如此。這是因為此時剛體對淺層液體的壓力****垂直向下，而深層液體又對其有向上的壓力，被兩面夾擊的淺層液體只能沿着剛體的側面向上運動。

　　但由於剛體仍在向下運動，也帶動其周圍的液體向下運動，這多少阻礙了部分向上運動的液體，所以最後能衝出水面的水花就少了。

　　説到這裏咱們不能忘記之前提到的接觸面積的因素，方形剛體入水時如果接觸面積過大，也會激起較大的水花。

　　所以跳水運動員入水前要將兩手疊放以減小接觸面積，並且將身體收緊，讓身體對水面的衝擊力集中在一小塊面積上。不然就會發生……

　　以上我們的討論是將人體視為了剛體，但在實際跳水的過程中，由於運動員需要進行翻騰或轉體的動作，在入水之前無法做到讓身體呈現一個豎直的狀態。

　　圖源：IC Photo

　　所以運動員除了要掌握好入水時壓水花的動作要領，還要精準把握起跳、空中動作、打開時機以及入水後如何控制其餘身體部位垂直入水等等。

　　真是台上三分鐘，台下十年功。能站在奧運賽場上已是一份榮耀，中國隊的奧運健兒們，無論輸贏，你們都是最棒的！

　　真沒想到，原來壓水花還有這麼多門道。不説了，小編以後要把餃子都包成長條形（bushi）

　　參考文獻

　　[1] 王同祥,蔣予華.對“壓水花”技術的初步分析研究[J].中國體育科技,1985(08):19-25.

　　[2] 錢競光,張松寧,金海泉.跳水“壓水花”技術運動生物力學研究[J].體育科學,2004(12):49-53.

　　[3] 杜輝英.四種壓水花技術比較[J].成都體育學院學報,1991(2):56-59+74.

　　[4]錢競光,金海泉,胡偉,張松寧.跳水“壓水花”動作的實驗研究[J].上海體育學院學報,2005(04):49-52.

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