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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

圖為在巴黎奧運跳水女子雙人10米台項目中,獲得冠軍的中國隊組合陳芋汐/全紅嬋,其驚人的「水花消失術」令人讚嘆不已。(中新社)
圖為在巴黎奧運跳水女子雙人10米台項目中,獲得冠軍的中國隊組合陳芋汐/全紅嬋,其驚人的「水花消失術」令人讚嘆不已。(中新社)

有人說奧運就是一群很需要運動的人,看著一群需要休息的人運動。所以當奧運開始,非常需要運動的科編就在思考,有沒有一項賽事,是沙發馬鈴薯的科學宅可以不用太辛苦訓練,最好是擺好躺平姿勢就能貢獻一些獎牌的運動?

有的,這個運動就叫做花式跳水。

炸水花也有技術?

生活經驗告訴我們,大字型與I字母(請轉90度站起來)兩種姿勢跳入水裡,激起的水花截然不同。當然這兩種姿勢,由於衝擊力的不同,對身體的傷害也不同。

儘管在正規跳水比賽中,身體需要配合各式各樣轉體動作的進程,略微調整入水角度,但是整體而言,壓水花技術講究身體在入水過程中與水面垂直的程度。

壓水花技術對於直立的瘦子而言,身體越垂直越好,但是現在比得是「壓水產生花」的技術,所以問題就有趣了,躺著的胖子,入水時越平坦越好?

沒這麼簡單!

塌鼻子不怕撞歪?

過去就曾發現,一些曲率較低的球形物體,例如橢圓形的球形鵝卵石,與液體表面碰撞後,衝擊力有時會表現得像平坦物體。類似的問題一直都吸引著液體動力學家,因為作用力的大小,影響著物體能夠承受衝擊的程度。因此,理解固體物體的幾何特性,如何影響撞擊到流體後的效應,對於執行緊急水著陸的飛機或跳入游泳池的專業運動員都極其重要。

美國羅德島海底作戰中心科學家貝爾登(Jesse Belden)和他的合作者,在今年一篇發表在《物理評論通訊》(Physical Review Letters, PRL)的文章中所提出的實驗數據,挑戰了我們習以為常的物理直覺,扁平物體在水中的衝擊力最大。

(a)高鼻子、(b)塌鼻子、(c)沒鼻子,三種鼻子的衝擊實驗。r 是圓球半徑,R 是圓柱半徑。圖/J. Belden et al.(2024)
(a)高鼻子、(b)塌鼻子、(c)沒鼻子,三種鼻子的衝擊實驗。r 是圓球半徑,R 是圓柱半徑。圖/J. Belden et al.(2024)

貝爾登和他的同事用鋁氣瓶製作人造的鼻子,模擬物體撞擊平坦水面的衝擊力。實驗限制撞擊接觸面在圓柱氣瓶的頂端,每個頂端都結合從半球形(球半徑等於柱半徑)到平坦(球半徑無限大)不等的球型「鼻頭」,「鼻腔」裡嵌了一個加速度計,讓研究人員能夠直接測得物體在水中的衝擊力。接著他們紀錄每個氣缸測得的衝擊係數,發現在兩個極端的鼻型之間,圓柱與圓球的臨界半徑比在0.008時的衝擊力最大。

這顛覆了過去認為垂直撞擊水面時,扁平物體比球形物體受到的衝擊力更大。實驗結果顯示,球形物體的曲率會極大地影響衝擊的程度。

鼻子下的安全氣囊

進一步的分析發現,衝擊的程度與撞擊水面時,「鼻子」下方形成的氣囊大小有關。當鼻子變平時,與水面撞擊的瞬間,鼻子和水之間困著一層空氣層,也正是因為這層空氣的存在,緩衝了撞擊的強度。而這層空氣的高度很大程度上取決於鼻子的曲率。稍微彎曲的鼻型可能導致空氣層高度較短,因此與扁到極致的鼻型相比,緩衝效果較差。最大衝擊力就發生在空氣層最小的時候,由於緩衝效果最少,因此鼻子受到的衝擊也最顯著。

貝爾登也將在未來的研究中,調查潛水員或是其他生物(例如鳥類或是水上行走蜥蜴)是否曾經遭受過實驗中揭示的衝擊力。

看到這裡,我們就知道運動員有多麼不容易,就算是一場躺平的較勁,要拿冠軍也不能躺得太平,躺平也要躺出新高度。

資料來源:

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《科學人》網站,未經同意禁止轉載。)

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