科學人／跳水「炸水花」也有技術！ 科學家揭密：躺平入水未必能取勝

图为在巴黎奥运跳水女子双人10米台项目中，获得冠军的中国队组合陈芋汐/全红婵，其惊人的「水花消失术」令人赞叹不已。（中新社）

有人说奥运就是一群很需要运动的人，看着一群需要休息的人运动。所以当奥运开始，非常需要运动的科编就在思考，有没有一项赛事，是沙发马铃薯的科学宅可以不用太辛苦训练，最好是摆好躺平姿势就能贡献一些奖牌的运动？

有的，这个运动就叫做花式跳水。

炸水花也有技术？

生活经验告诉我们，大字型与I字母（请转90度站起来）两种姿势跳入水里，激起的水花截然不同。当然这两种姿势，由于冲击力的不同，对身体的伤害也不同。

尽管在正规跳水比赛中，身体需要配合各式各样转体动作的进程，略微调整入水角度，但是整体而言，压水花技术讲究身体在入水过程中与水面垂直的程度。

压水花技术对于直立的瘦子而言，身体越垂直越好，但是现在比得是「压水产生花」的技术，所以问题就有趣了，躺着的胖子，入水时越平坦越好？

没这么简单！

塌鼻子不怕撞歪？

过去就曾发现，一些曲率较低的球形物体，例如椭圆形的球形鹅卵石，与液体表面碰撞后，冲击力有时会表现得像平坦物体。类似的问题一直都吸引着液体动力学家，因为作用力的大小，影响着物体能够承受冲击的程度。因此，理解固体物体的几何特性，如何影响撞击到流体后的效应，对于执行紧急水着陆的飞机或跳入游泳池的专业运动员都极其重要。

美国罗德岛海底作战中心科学家贝尔登（Jesse Belden）和他的合作者，在今年一篇发表在《物理评论通讯》（Physical Review Letters, PRL）的文章中所提出的实验数据，挑战了我们习以为常的物理直觉，扁平物体在水中的冲击力最大。

(a)高鼻子、(b)塌鼻子、(c)没鼻子，三种鼻子的冲击实验。r 是圆球半径，R 是圆柱半径。图／J. Belden et al.(2024)

贝尔登和他的同事用铝气瓶制作人造的鼻子，模拟物体撞击平坦水面的冲击力。实验限制撞击接触面在圆柱气瓶的顶端，每个顶端都结合从半球形（球半径等于柱半径）到平坦（球半径无限大）不等的球型「鼻头」，「鼻腔」里嵌了一个加速度计，让研究人员能够直接测得物体在水中的冲击力。接着他们纪录每个气缸测得的冲击系数，发现在两个极端的鼻型之间，圆柱与圆球的临界半径比在0.008时的冲击力最大。

这颠覆了过去认为垂直撞击水面时，扁平物体比球形物体受到的冲击力更大。实验结果显示，球形物体的曲率会极大地影响冲击的程度。

鼻子下的安全气囊

进一步的分析发现，冲击的程度与撞击水面时，「鼻子」下方形成的气囊大小有关。当鼻子变平时，与水面撞击的瞬间，鼻子和水之间困着一层空气层，也正是因为这层空气的存在，缓冲了撞击的强度。而这层空气的高度很大程度上取决于鼻子的曲率。稍微弯曲的鼻型可能导致空气层高度较短，因此与扁到极致的鼻型相比，缓冲效果较差。最大冲击力就发生在空气层最小的时候，由于缓冲效果最少，因此鼻子受到的冲击也最显著。

贝尔登也将在未来的研究中，调查潜水员或是其他生物（例如鸟类或是水上行走蜥蜴）是否曾经遭受过实验中揭示的冲击力。

看到这里，我们就知道运动员有多么不容易，就算是一场躺平的较劲，要拿冠军也不能躺得太平，躺平也要躺出新高度。

资料来源：

1. J. Belden et al., “Water impact: When a sphere becomes flat,” Phys. Rev. Lett. 133, 034002 (2024).

（本文出自2024.08.09《科学人》网站，未经同意禁止转载。）