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

圖爲在巴黎奧運跳水女子雙人10米臺項目中，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」令人讚歎不已。（中新社）

有人說奧運就是一羣很需要運動的人，看着一羣需要休息的人運動。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，躺着的胖子，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着液體動力學家，因爲作用力的大小，影響着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，對於執行緊急水着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，挑戰了我們習以爲常的物理直覺，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)

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。接着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。

這顛覆了過去認爲垂直撞擊水面時，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，鼻子和水之間困着一層空氣層，也正是因爲這層空氣的存在，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。最大沖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。）