【科学漫谈|张华】跳水压水花技术之我见
风流知音(FLOWS:Physics & beyond)【科学漫谈|张华】跳水压水花技术之我见 CFDST (2022年4月28日)10116
跳水压水花技术之我见
张华
北京航空航天大学航空科学与工程学院
（注：该文发表于2021年8月10日作者的个人“美篇”）
1. 物体入水形成的两种水花
当跳水失误运动员以非流线型钝体姿态入水时将产生两种不同的喷溅水花，参见视频1，第一种是入水初期由于身体对水向周边进行挤压而形成的“一次喷溅”或“周边喷溅”水花；第二种是随着身体下沉、下游形成低压中空尾迹，为填补这一空间，流体将从周边向尾迹中心汇聚、进而碰撞形成“二次喷溅”或“中心喷溅”水花。
视频1. 跳水运动员跳水失误时产生的两种喷溅水花
实际上当我们向水面扔一块石头也能观察到先后出现的这两种不同喷溅水花。视频2用俯视拍摄的视角显示了向水中扔下石头时出现的“周边喷溅”水花和“中心喷溅”水花。
视频2. 俯视角度拍摄的扔石头入水两种水花
视频3.大石头入水形成的周边喷溅水花和入水后水向中空尾迹中心的汇聚碰撞现象
即使是向水中扔一颗小石头，也能观察到先后出现的两种不同喷溅水花，参见视频4，其中当用慢镜头播放时可以清晰地观察到两种不同喷溅（一次周边喷溅与二次中心喷溅）水花形成的美妙动态结构。
视频4. 慢镜头显示小石头入水两种喷溅水花形成的美丽结构
从以上四个非流线型钝体入水的喷溅水花视频可看出两点：第一，对钝体重物若其横截面越大、则由于对水的挤压量也越大从而所产生的“周边喷溅”水花也越大；第二，同一钝体重物入水时产生的二次中心喷溅水花大小（量与高度）与一次周边喷溅水花至少相当、甚至会更大。上述观察思考为解析跳水运动员压水花技术提供了一些参考。
2.跳水压水花技术之我见
视频5展示的是2020东京奥运会女子10米高台跳水决赛中获得多项满分并最终斩获冠军的中国运动员全红婵的其中一跳。这个视频完整展示了压水花技术和跳水之美。
视频5. 2020东京奥运会上中国运动员全红婵展示完美的压水花技术
我个人认为跳水压水花技术主要体现在以下4点:
(1). 保证入水形态整体上为流线型细长体
(2). 入水角度接近垂直水面
(3). 双手反掌平面入水并在水中迅速打开
(4). 双手打开的同时屈身，停止快速下扎
以上第1、2条保证了以最小横截面入水，同时仅形成细小狭长的中空尾迹，这为避免产生大的周边喷溅和中心喷溅提供了基础条件，因为形成一次喷溅的水的排挤量小，另外尾迹直径小形成二次喷溅的水量也少，水向中心汇聚的路径短、碰撞弱。以上第3、4条表明入水后不应笔直地扎向池底，而是在入水后迅速完成划手和屈身这两个动作，这可以迅速有效的改变头、肩、手臂等主要冲击部分的流动参数（压强、速度等）分布，有利于对水花产生吸入作用，再加上快速扎入的人体对气泡流的裹挟作用，也有利于防止水花向外飞溅，从而形成周边喷溅水花很小，中心喷溅水花被带入水中而后形成向上涌泉的效果。
从视频5 中全红婵入水的分解动作以及照片6 所示的中国男子双人跳水运动员入水瞬间的划手动作，可见运动员从双手掌刚进入水面即开始做双手划水动作，当运动员半个身体还在水面之上时双手划水动作已基本完成。
照片6. 中国男子双人跳水运动员的入水划手动作
至于运动员采用双手掌相握并外翻入水，我个人认为有以下原因：首先这样能够保证手指不会受到过大冲击而受伤；其次这有利于入水后手掌向两边迅速划开有效改变头、肩部流场，对水花产生吸入效应；另外双手紧握并反掌时手、肘处为反关节，有利于保证手型结构牢固稳定，同时保证入水形态整体上是流线型细长体。照片7是中国女子双人跳水运动员入水前的空中姿态，其中展示了运动员入水前的技术要领和双手动作。
照片7. 中国女子双人跳台跳水运动员入水前的空中技术要领和双手动作
前跳水奥运冠军郭晶晶在与前乒乓球奥运冠军邓亚萍的访谈节目中谈到了跳水压水花技术，参见视频8，其中介绍了入水之前的技术要领，遗憾的是她没有进一步介绍入水后的动作，但跳水视频显示郭晶晶在入水后还有划手和屈身动作。
视频8. 前跳水奥运冠军郭晶晶谈压水花技术
文献1采用理想流模型计算得到矩形头部形状的喷溅小于尖楔头部形状的喷溅，并据此说明采用双手反握掌形成矩形平面入水是压水花的技术关键，参见图9。文献2采用与文献1相同的对比模型（矩形头部入水与尖楔头部入水）则给出了尖楔头部喷溅小于矩形头部喷溅的不同结论，参见图10。
图9. 文献1给出的矩形截面喷溅小于楔形截面示意图
图10. 文献2给出的楔形截面喷溅小于矩形截面示意图
个人认为如果单纯从矩形和尖楔形入水的局部来看，考虑到矩形平面有更多的横向排水作用，尖楔有更多的向斜上方排水作用，因此文献1的计算结果是有可能的，但本人认为这个问题应该使用更精确的计算模型和计算条件，考虑更全面、更整体的影响因素，包括动态过程的模拟等。
本文只是初步的分析和大胆的推测，还需要更深入和精细的研究才能得以论证。所幸我的同事、北航流体力学研究所青椒屈教授开始对这个问题感兴趣，拟着手开展相关研究。屈教授擅长和熟悉飞机水面迫降及其相关的水面喷溅问题研究，期盼他的研究进展。
参考文献：
1. 中国科技馆，中国跳水“梦之队”压水花秘诀是这样…，科普中国，2021.07.24
2. 陈奎孚，曹缘10米跳台收金:水花为啥羞羞答答？***“图形公式不烦恼”，2021.08.08
注：本文视频和图片均来自于互联网，视频与图片的版权归原作者所有
更新于 2021-12-02
作者简介：
张华，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，北京市高校教学名师，北京市优秀教师，中国力学学会全国优秀力学教师，“宝钢教育奖”优秀教师，北航国家级精品课《空气动力学》优秀主讲教师，北航“立德树人”优秀奖，北航“我爱我师-十佳教师”，北京力学学会科普委员会副主任，《力学与实践》杂志9、10届编委。主要研究方向：旋涡与分离流动，流动控制，激波边界层干扰，风工程，风洞水洞设计。
