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?神舟五号载人飞船升空过程中，航天员杨利伟遭遇的26秒惊魂时刻又与其有什么关系？

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。

　　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。

　　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






跳水运动员入水时的翻掌姿势：将手掌外翻，同时两个大拇指相互紧扣，扩大其与水的接触面积和阻力，并保持稳定，将其前方的水尽可能地压向深处，从而形成更大的反作用力，达到降低运动员入水速度的目的


入水时会产生气泡

　　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。

　　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”。

　　温馨提示：参加游泳和跳水等水上运动，都要经过专业训练，小朋友们请勿模仿。

　　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？

　　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。

　　（责任编辑 / 王佳璇　美术编辑 / 周游）

知识链接

神舟五号载人飞船上的异常振动

　　令人窒息的低频共振
　　
　　2003年10月15日上午9:00，在长征二号F运载火箭的推动下，神舟五号载人飞船顺利升空。在离地面约30～40千米时，飞船中的杨利伟正经受着6个G的压力（G为重力加速度，6个G相当于6个人的体重压在一个人身上）。此时，他忽然感觉周围好像有无数面大鼓在振动，令他无法呼吸。

　　后来，工程技术人员对这一状况进行实况模拟和计算分析，终于找到了“元凶”：共振！即火箭运行过程中产生的小于10赫兹的振动，通过飞船传递到了杨利伟的身上，并且与他的部分身体器官（例如神经系统、肺部和视觉系统，具体见下表）产生了共振。

　　什么是共振呢？简单来说，就是一个物体在某个频率下振动，比在其他频率下振动有更大振幅的情形。一旦产生共振，物体的振动能量会不断累积，其振动幅度会因此不断增大，直至振源停止能量供给，或物体的固有频率发生改变（如器官受到了损伤或破坏）。

杨利伟在返回舱中模拟训练

　　舱内不时发出的声音

　　神舟五号飞船舱体内部，杨利伟座位周围，各种各样的仪器仪表都是在地面组装完成。在地面上，它们与舱内的大气压强相同。但升空后，舱内气压约为地面的50%～70%，仪器仪表内的空气因此向外膨胀，从密封相对薄弱的地方挤出，产生振动。这就是杨利伟不时听到的舱内的声音来源。

　　诡异的“敲门声”
　　
　　宇宙飞船通常包括推进舱、返回舱和轨道舱3部分，总体呈旋转对称形状。在地面制造时，从选材到工艺，都要保障飞船各部分受力均匀。但是到太空后，飞船内外的气压差巨大。理论上讲，由此在飞船壳体中形成的应力应该是均匀分布的。但由于舱体的材质、厚度以及制造工艺等方面存在差异，舱体内的应力分布或多或少也存在差异。一旦某个部位的应力超过了该处材料和结构的屈服强度，就会发生变形并产生振动，于是形成了杨利伟听到的“敲门声”。