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“水花消失術” 原來是這麼回事

2024-11-03 20:09:48

第33屆夏季奧林匹克運動會上,中國跳水“夢之隊”再創佳績,首次包攬奧運8金。那麼,你知道跳水運動員上演的“水花消失術”背後的物理學原理嗎?

跳水運動員(圖源:《知識就是力量》雜誌)

水花何處來?

在水池上方,讓石子以同一高度自由落下,個頭(質量)越大的石子,濺起的水花越大;讓同一塊石子從不同起落點落下,起落點越高,石子濺起的水花越大。

為什麼?這是因為水花由石子撞擊水面產生的振動引起,石子起落點與水面的高度差越大,其勢能越大,與水面撞擊時轉化的動能也越大,由此產生的水花和水聲也越大。

若將木棒從相同起落點、以不同角度墜入水中,你會發現:木棒垂直入水時,濺起的水花最小,但潛入水下最深;水平入水時,濺起的水花最大,但潛入水下最淺;傾斜入水時的情況介於上述兩種情況之間。

這又是為什麼?這是因為木棒墜落濺起的水花大小,除了與其攜帶的能量有關,還與其入水時與水面的接觸面積有關。

還有哪些因素影響水花大小?

可是,問題來了:跳水比賽中,兩位體重差不多的運動員,都從10米跳臺跳下,且採取相同的空中動作,為什麼入水時濺起的水花還會有差異?

如果觀察仔細你會發現,運動員從高臺跳下,產生的水花是有層次的:首先是運動員與水面撞擊產生的水花;其次是運動員入水時帶入的空氣,被水的反作用力推出水面產生的水花;最後是由流速差產生的力激發的水花。

運動員入水水花(圖源:《知識就是力量》雜誌)

根據流體力學中的伯努利原理,流速快的地方壓強小,運動員入水速度越快,其與周圍的水流之間的壓強差就越大,周圍水流湧向運動員入水通道的力度也越大,將其中的水連同形成的氣泡擠出水面,形成的水花當然也就越大。

顯然,要想減小水花,必須有效控制上述3個層面的水花。那麼,跳水運動員是如何做到這些的呢?

練就“水花消失術”的

三大秘籍

秘籍一垂直入水

保持入水時與水面的接觸面積最小。這樣,由於接觸面積最小,水面吸收的動能也最小,產生的水花自然就小了。

跳水運動員入水(圖源:《知識就是力量》雜誌)

秘籍二翻掌入水

游泳運動員入水時,雙手會合併成楔形,這樣阻力小,可以更有效地利用身體攜帶的動能。但對於跳水運動員來說,為了降低入水速度,運動員需要增大入水阻力,降低其與周圍的水流之間的壓強差,減小水花。

游泳運動員入水手勢(圖源:《知識就是力量》雜誌)

秘籍三拐彎“揉”水

入水後,要迅速開啟手掌,向四周推動水流,這樣不僅可以把帶進來的大氣泡“切碎”,還可以“切碎”不同階段中產生的小氣泡,減少2次甚至3次水花的生成。

入水時會產生氣泡

(圖源:《知識就是力量》雜誌)

水面受到衝擊產生的振動,不僅可以形成我們看得見的水花,還會讓我們聽到水聲。所以,所謂“水花消失術”,其實也可以理解為“水聲消失術”。

需要注意的是,振動不僅可以在水中產生,也可以在其他任何物體中產生。這些物體的振動,有些我們能聽見,有些雖然聽不見但身體能夠感受到它的存在。例如,在神舟五號載人飛船升空過程中,楊利偉就遭遇了這樣的物體振動,這又是怎麼一回事呢?

楊利偉(圖源:《知識就是力量》雜誌)

上面我們討論的兩個問題,一個在水裡發生,一個在天上發生。但它們有一個共同點:都是由物體的振動引起的,而所有的振動都是源於能量的轉移和變化。搞懂了上述原理,我們是不是就能輕鬆“拿捏”水花了呢?

顯然不是,懂得道理與熟練掌握之間,仍然存在巨大的鴻溝。除了天分外,跳水運動員們要在多年如一日的訓練中,在每一個環節苦練,才能成就超出常人的“水花消失術”。

物理,不僅僅是公式和定理,更是一扇通往未知世界的大門,生活中處處有物理,希望每一位青少年都在其中學會探索和創新。

撰文 | 陳光南

責任編輯 | 王佳璇、段陽陽

運營編輯 | 段陽陽

質量稽核 | 業蕾

❖ 文章來源:《知識就是力量》雜誌

《“水花消失術”背後的物理學原理》 ❖

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