“水花消失術”背後到底有什麼秘密？入水姿勢物理分析

北京時間2024年7月31日，在巴黎奧運會跳水比賽女子雙人十米臺決賽中，中國隊組合全紅嬋、陳芋汐奪得金牌，幫助中國隊實現該項目七連冠。這是中國跳水隊在本屆奧運會上的第三枚金牌，也是中國體育代表團的第七枚金牌。

跳水項目，許多人是從小看到大，看中國選手在空中優美的翻騰和轉體動作，以及驚為天人的“水花消失術”，堪稱視覺上的一大享受。

對於大多數人，評判一個跳水動作的完美程度的關鍵點之一，恐怕就是看水花大小吧。

每當看到跳水運動員能將水花壓得非常小時，我們總是會不由自主地驚呼。

不過，一石都能激起千層浪，而一整個人入水居然能做到幾乎沒有水花，其中到底隱藏著什麼樣的奧秘？

水花是怎麼形成的

眾所週知，當具有一定質量的物體以一定初速度落入黏滯系數較小的液體時，就會在液體表面濺起水花。

由於物體具有質量和速度，在與液體接觸時就會對液面造成衝擊。若液體的流動性較好（即黏滯系數低，比如自來水），就會在受到衝擊時向周圍運動，從而在四週濺起水花，隨後又為了填補物體落下後在中間形成的空洞而回流，在中間相撞形成又一波水花。

而如果液體的流動性較差（即黏滯系數高，比如蜂蜜），即使受到較大的衝擊，液面也不易發生形變，從而不易濺起水花。

△從高空落下的蜂蜜沒有濺起蜜花

很顯然，跳水運動員所面對的泳池，裏面的水必然都是黏滯系數低的液體。而且人體的質量以及從高臺跳下後具有的速度都不是一個小數字。

水面在如此大的衝擊力下卻可以只濺起一點點水花，這必然是運動員掌握了入水時的動作要領。下面，讓我們把視角切換到運動員入水前畫面上。

壓水花的標準入水姿勢分析

通過觀察比賽的慢鏡頭回放以及跳水過程中拍攝的照片，不難發現，能將水花壓得很小的運動員，入水前的動作幾乎都具有如下特點：

我們知道跳水入水時，最先接觸水面的部位是手，如果雙手入水時能很好地壓住水花，同時將後續入水的身體部位收緊，就能很好地集中力量而不産生額外的水花。

如此看來，入水前雙手的形態對産生水花的大小起著至關重要的作用。

你可能也發現，不管最後能否壓住水花，幾乎所有運動員都在使用這樣“抓手平掌”的手勢，這種手勢是有什麼獨到之處嗎？

其實歷史上，曾經還出現過另外三種手勢。第一種是自1975年起，我國跳水運動員開始練習“壓水花”技術時採用的手勢：兩手相距約10cm，手掌上翻，五指伸直張開，掌心對水。

由於入水時衝擊力大，手型難以保持，而且雙手分開降低了整個人體的流線型效果，所以壓水花效果並不理想。

後來出現了兩手拇指相扣，其餘四指彎曲或伸直的手勢。這樣降低了入水時所帶來的衝擊，且增加了整個人體的流線型效果，在壓水花效果上有了增強。

“抓手平掌”則是發展至今使用得最普遍的入水姿勢，其動作要領是：兩手相握，其中一手五指並攏伸直，另一隻手握在背部，五指緊扣，手掌上翻，腕關節背屈90°，掌心對水。

這種手勢從表觀上看，進一步減少了手掌與水的接觸面積，能更大程度地減小衝擊力。

但是，如果想讓接觸面積小，應該讓兩手合併指尖向下入水。為什麼這種姿勢沒有出現過呢？

入水姿勢的物理分析

你可能想不到，現有的“壓水花”技術是最初在練習“冰棍式”跳水的過程中意外發現的。

“冰棍式”跳水是雙腳最先入水，訓練時運動員被要求雙腳呈繃直狀入水，這樣雖然可以有效減少水對人體的衝擊，但水花很大。

腳尖一直繃直固然很累，偶爾鬆懈一下沒有繃直腳尖，卻發現勾腳入水水花反而變小了。於是這樣勾腳的技術逐漸演變成了今天的“抓手平掌”。

那為何勾腳入水就能比繃腳入水更能壓住水花呢？這就需要更加深入地分析了。

01

建立模型

人體入水的過程本質上是一個固體衝擊液體的過程，由於固體和液體本身複雜的性質，這將是一個多因素耦合的複雜模型。

但由於我們的著眼點是人體與水面剛發生接觸和碰撞的階段，所以我們可以忽略部分不重要的因素，同時將人視為剛體、將水視為理想流體，以此簡化模型。

02

楔形剛體撞擊水面

當運動員雙臂上舉，雙手合掌呈尖銳狀姿勢入水時，可等價于一個楔形剛體的尖端撞擊水面（如下圖所示）。

當發生碰撞時，與剛體接觸的水會受到斜向下的力，從而沿此方向運動。

但我們也知道，液體壓強隨深度的增加而變大，所以這部分斜向下運動的水會因為受到深處液體更大的壓力，轉而向壓力較小的淺處運動，最後沿著剛體側面的方向衝出水面，形成水花。

《跳水“壓水花”技術運動生物力學研究》中還通過有限元分析方法對該模型進行了模擬計算。結果表明：

楔形剛體的尖角越尖銳，激起的水花越高。

楔形剛體的質量越大、速度越大，激起的水花越高。

03

方形剛體撞擊水面

如果考慮上述楔形剛體鈍化的極限情況（即完全沒有尖角的方形剛體），按照上述的結論，激起的水花是不是應該就是最低的呢？

確實如此。這是因為此時剛體對淺層液體的壓力垂直向下，而深層液體又對其有向上的壓力，被兩面夾擊的淺層液體只能沿著剛體的側面向上運動。

但由於剛體仍在向下運動，也帶動其周圍的液體向下運動，這多少阻礙了部分向上運動的液體，所以最後能衝出水面的水花就少了。

説到這裡咱們不能忘記之前提到的接觸面積的因素，方形剛體入水時如果接觸面積過大，也會激起較大的水花。

所以跳水運動員入水前要將兩手疊放以減小接觸面積，並且將身體收緊，讓身體對水面的衝擊力集中在一小塊面積上。不然就會發生……

以上我們的討論是將人體視為了剛體，但在實際跳水的過程中，由於運動員需要進行翻騰或轉體的動作，在入水之前無法做到讓身體呈現一個豎直的狀態。

所以運動員除了要掌握好入水時壓水花的動作要領，還要精準把握起跳、空中動作、打開時機以及入水後如何控制其餘身體部位垂直入水等等。

真是臺上三分鐘，台下十年功。能站在奧運賽場上已是一份榮耀，中國隊的奧運健兒們，無論輸贏，你們都是最棒的！（科普中國）