“水花消失術”背后的物理學原理

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。那么，你知道跳水運動員上演的“水花消失術”背后的物理學原理嗎？神舟五號載人飛船升空過程中，航天員楊利偉遭遇的26秒驚魂時刻又與其有什么關系？

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。

為什么？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于上述兩種情況之間。

這又是為什么？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，且采取相同的空中動作，為什么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；最后是由流速差產生的力激發的水花。

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，周圍水流涌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。那么，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，由于接觸面積最小，水面吸收的動能也最小，產生的水花自然就小了。

秘籍二

翻掌入水

游泳運動員入水時，雙手會合并成楔形，這樣阻力小，可以更有效地利用身體攜帶的動能。但對于跳水運動員來說，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。

秘籍三

拐彎“揉”水

入水后，要迅速打開手掌，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。

水面受到沖擊產生的振動，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”。

溫馨提示：參加游泳和跳水等水上運動，都要經過專業訓練，小朋友們請勿模仿。

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，這又是怎么一回事呢？

上面我們討論的兩個問題，一個在水里發生，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于能量的轉移和變化。

搞懂了上述原理，我們是不是就能輕松“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。

（責任編輯 / 王佳璇 美術編輯 / 周游）