为了使水花小,应该怎样做?

文摘   2024-08-06 19:04   广东  
众所周知,跳水运动中,入水时的水花大小非常重要,水花越小得分越高。下面视频是中国跳水运动员全红婵表演的一次水花消失术。



看那入水的瞬间,咚一声,犹如一根银针入水,不起波澜,“红姐”真不愧是当今跳水榜第一人!


从物理直觉上说,固体落入液体,会产生碰撞。如果液体流动性好(如自来水),液体就会溅到液面以上,形成水花。而若液体流动性差(如蜂蜜),可能就不会有液体向上飞溅。


有的流体,其剪应力和剪切变形速率之间不满足线性关系,属于所谓“非牛顿流体”,受到快速的撞击时,流体能产生巨大的剪切力。如下图所示,跳入后,整个人就像落在平地上一样,但不会有什么浪花溅起。



善意提醒,可千万不要尝试从高台跳入非牛顿流体哦!


然而,到底如何才能有效地把水花尽可能地压下去呢?技术上当然不容易,据说各国奥运选手都有自己秘而不宣的不同的绝招。



在这段视频中,美国队跳水队主教练德鲁·约翰森解释了他所认为的有效策略,为了减小水花,他认为应该在不同的阶段采取不同措施。

他的措施包含三个方面。

当潜水员接近水面时,他们必须将身体伸展成一条笔直的直线。重要的是,他们必须将双手一只叠一只,手掌平放,以形成所谓的“撕入式”动作(之所以这样命名,是因为当潜水员击中水面时,听起来就像撕破一张纸)。

在潜水员入水后,必须游出手臂,同时保持下半身僵硬。这有助于驱散一些气泡。

当潜水员下潜时,会将身体蜷缩起来,试图用身体捕捉更多气泡。这有助于将大气泡分解成小气泡,使它们浮出水面时不会溅起太多水花。


而对于莱德大学的跳水运动员、两届 NCAA 区域和 ECAC 冠军跳水运动员乔·沃克来说,减少水花的策略在细节上有所不同。

潜水员入水后首先必须将一只手放在另一只手上,形成一个杯状的气孔。

并且,何时收腿和收脚至关重要。收得太早,气泡会产生炮弹效应。收得太晚,潜水员的膝盖会撞到水里。

可以采用两种技术来挽救错误的潜水。对于向前潜水,潜水员会进行俯冲挽救,这是一种翻转动作,可以定时将溅起的水带入气孔。对于反向潜水,潜水员会进行翻身挽救,将膝盖靠近胸部以尽量减少溅起的水花。

增加潜水旋转次数也会增加其复杂性和溅起大水花的机会。沃克的恢复技巧包括将膝盖抬至胸前,同时拱起背部以产生额外的吸力,将溅起的水花带入气孔。

那么,上述这些技术有什么理论依据吗?

首先,按照流体力学知识,固体落入水中,凭直觉可知,瞬间排开水的体积越大,水花应该越大。因此,为了使水流在身体周围平稳流动并尽量减少溅起的水花,潜水员需要在入水前尽量减小其横截面积。

为了减少与水面的接触,运动员们一般会将肘部伸直、手臂夹紧头部并紧紧贴近耳朵,入水时,运动员们会绷直身体,调整身体躯干与头颈部处于同一直线上,且与水平面保持垂直。


这个过程中需要全身肌肉的协同发力,只有这样,才能避免撞击过程中的冲击力影响到入水的正确姿势,产生明显的水花。


其次,一个非常重要的细节——入水时还要注意手掌的姿势。


你可能认为,若将手指并拢呈“双手合十”的方式入水,水花会更小,但事实斌并非如此。


基于流体力学理论的研究表明,楔形物体入水时,会引起尖端接触水体朝着阻力最小的方向去运动,溅起的水花较大;而方形物体入水时,由于接触面积较大,导致水体主要朝着横向运动,水花反而较小。


因此,跳水运动员会采用“平掌入水”的方式垂直入水,在入水瞬间用手掌压住水花,这样入水过程中溅起的水花就比较小。


“平掌入水”的完整姿势,是一只手掌放平伸直,五指并拢,同时另一只手掌抓住其手背,五指紧扣,同时腕关节背屈90度。


除此之外,入水之后,运动员们还会实施“滑行双臂”、“身体翻滚”等动作,也有助于减少水花的喷溅。


实际上,在这个问题上,研究者还做了很多拓展性的研究。


例如,为什么运动员在入水时快速转身,可以减少溅水?

一般对此的解释是,转身把水花带入水面以下。

针对此问题,华盛顿大学的流体力学研究人员曾在2022年度美国物理学会上提交了一项研究报告。

研究者用铰链模型复制了这一动作,这些模型在中间弯曲,就像人的弯曲臀部一样。他将模型浸入水中,以模拟人潜水时的动作。

模型的切割角度重现了跳水运动员头部和手臂的形状。这种形状意味着模型在中间折叠,就像跳水运动员入水后手臂和头部的角度有助于运动员弯曲臀部以完成水下转身一样。

折叠模型将空气拉到身后,在水下形成一个充满空气的大空腔。这与潜水员潜水后在水下转身时的情况相同。


研究人员称,这种效果“减少了你进入水中后产生的喷射流”,从而提高了激流的得分。充满空气的空腔不是“将水花拉回来”,而是从一开始就阻止了水花的形成。


值得指出的是,这项研究并不全是关于潜水员的技术。这项研究将有助于返回太空任务的溅落。研究人员还设想了隐形无人机潜入水中时不会留下引人注目的水花。


讲到这里,很难不让人联想起坐马桶时的那种尴尬体验。怎样才能有效的减少菊花遭受的侵袭呢?



有说给马桶水里加冰,还有说反复用力夹断以避免大规模冲击力,最佳策略据说是以纸覆于水面。其他玄法就不提了。

需要减小水花的,还有一个令人咬牙的场合,如下图。



目前,针对此问题,汽车界尚无关键性技术突破。但据说,若你静立路边,手握一块泡沐或海绵质逼(jia)真(de)砖头,直指来车,水花消失术的魔法立刻生效。



参考资料


  1. https://meetings.aps.org/Meeting/DFD22/Session/A01.7

  2. https://www.vox.com/2021/8/5/22609527/olympic-divers-perfect-tiny-splash

  3. https://theconversation.com/not-making-a-splash-the-anatomy-of-a-perfect-olympic-dive-8082


END



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物含妙理
境自远尘皆入咏,物含妙理总堪寻。
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