“水花消失术” 原来是这么回事

第33届夏季奥林匹克运动会上，中国跳水“梦之队”再创佳绩，首次包揽奥运8金。那么，你知道跳水运动员上演的“水花消失术”背后的物理学原理吗?

跳水运动员（图源：《知识就是力量》杂志）

水花何处来？

在水池上方，让石子以同一高度自由落下，个头（质量）越大的石子，溅起的水花越大；让同一块石子从不同起落点落下，起落点越高，石子溅起的水花越大。

为什么？这是因为水花由石子撞击水面产生的振动引起，石子起落点与水面的高度差越大，其势能越大，与水面撞击时转化的动能也越大，由此产生的水花和水声也越大。

若将木棒从相同起落点、以不同角度坠入水中，你会发现：木棒垂直入水时，溅起的水花最小，但潜入水下最深；水平入水时，溅起的水花最大，但潜入水下最浅；倾斜入水时的情况介于上述两种情况之间。

这又是为什么？这是因为木棒坠落溅起的水花大小，除了与其携带的能量有关，还与其入水时与水面的接触面积有关。

还有哪些因素影响水花大小？

可是，问题来了：跳水比赛中，两位体重差不多的运动员，都从10米跳台跳下，且采取相同的空中动作，为什么入水时溅起的水花还会有差异？

如果观察仔细你会发现，运动员从高台跳下，产生的水花是有层次的：首先是运动员与水面撞击产生的水花；其次是运动员入水时带入的空气，被水的反作用力推出水面产生的水花；最后是由流速差产生的力激发的水花。

运动员入水水花（图源：《知识就是力量》杂志）

根据流体力学中的伯努利原理，流速快的地方压强小，运动员入水速度越快，其与周围的水流之间的压强差就越大，周围水流涌向运动员入水通道的力度也越大，将其中的水连同形成的气泡挤出水面，形成的水花当然也就越大。

显然，要想减小水花，必须有效控制上述3个层面的水花。那么，跳水运动员是如何做到这些的呢？

练就“水花消失术”的

三大秘籍

秘籍一垂直入水

保持入水时与水面的接触面积最小。这样，由于接触面积最小，水面吸收的动能也最小，产生的水花自然就小了。

跳水运动员入水（图源：《知识就是力量》杂志）

秘籍二翻掌入水

游泳运动员入水时，双手会合并成楔形，这样阻力小，可以更有效地利用身体携带的动能。但对于跳水运动员来说，为了降低入水速度，运动员需要增大入水阻力，降低其与周围的水流之间的压强差，减小水花。

游泳运动员入水手势（图源：《知识就是力量》杂志）

秘籍三拐弯“揉”水

入水后，要迅速打开手掌，向四周推动水流，这样不仅可以把带进来的大气泡“切碎”，还可以“切碎”不同阶段中产生的小气泡，减少2次甚至3次水花的生成。

入水时会产生气泡

（图源：《知识就是力量》杂志）

水面受到冲击产生的振动，不仅可以形成我们看得见的水花，还会让我们听到水声。所以，所谓“水花消失术”，其实也可以理解为“水声消失术”。

需要注意的是，振动不仅可以在水中产生，也可以在其他任何物体中产生。这些物体的振动，有些我们能听见，有些虽然听不见但身体能够感受到它的存在。例如，在神舟五号载人飞船升空过程中，杨利伟就遭遇了这样的物体振动，这又是怎么一回事呢？

杨利伟（图源：《知识就是力量》杂志）

上面我们讨论的两个问题，一个在水里发生，一个在天上发生。但它们有一个共同点：都是由物体的振动引起的，而所有的振动都是源于能量的转移和变化。搞懂了上述原理，我们是不是就能轻松“拿捏”水花了呢？

显然不是，懂得道理与熟练掌握之间，仍然存在巨大的鸿沟。除了天分外，跳水运动员们要在多年如一日的训练中，在每一个环节苦练，才能成就超出常人的“水花消失术”。

物理，不仅仅是公式和定理，更是一扇通往未知世界的大门，生活中处处有物理，希望每一位青少年都在其中学会探索和创新。

撰文 | 陈光南

责任编辑 | 王佳璇、段阳阳

运营编辑 | 段阳阳

质量审核 | 业蕾

❖ 文章来源：《知识就是力量》杂志

《“水花消失术”背后的物理学原理》 ❖

现订购2024年

定价360元