要想水花压得好,你得……

原创:中科院物理所

  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。

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  左右滑动欣赏更多精彩瞬间 | 图源:新华社

  从今天开始直至7日,单人跳水的四个项目将展开角逐,让我们一起期待“梦之队”在接下来比赛中的精彩表现吧。

  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。

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  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

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  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

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  不过作为一个学物理的专()业()人(cài)士(),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回流,在中间相撞形成又一波水花。

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  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。

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  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

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  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。

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  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。

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  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。

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  图源:参考文献[3]

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  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。

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  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。

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  建立模型

  2020 

  OLYMPIC GAMES

  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

  2020 

  OLYMPIC GAMES

  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)。

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  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

  2020 

  OLYMPIC GAMES

  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?

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  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。

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  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……

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  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

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  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!

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  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)

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  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

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