水場中的秘密

文｜繳桂躍

若干年前，國家游泳隊曾委托清華等高校，利用計算機流體力學（Computational Fluid Dynamics)，描述運動員在水中劃水和踢腿時的水場。美國游泳隊在北京奧運會前，也請了大學的專家，利用數(shù)碼粒子圖像測速（Digital Particle Image Velocimetry )技術(shù)進行同一工作。

透明的水究竟是如何運動的，這可能是每位游泳人感興趣的問題。還是讓我們先來了解一下水場照片是如何拍攝的吧。

所謂數(shù)碼粒子圖像測速技術(shù)，其原理類似設置在公路上的激光測速儀，這種技術(shù)通過對運動物體發(fā)射的兩次激光脈沖往返的時間差，來確定物體的運動速度。這種測速裝置的發(fā)射器采用氬離子脈沖激光器，接收器則采用數(shù)碼照相機（詳見圖1）。

數(shù)碼粒子圖像測速裝置與水槽配套使用，可以拍攝到水流沿X、Y、Z方向，隨時間t流動變化的四維圖片，反映泳者周圍水場的瞬間變化。圖中光標較均勻的為穩(wěn)流層，光標的指向為水流方向；如果光標變長，說明水流速度加快；當光標轉(zhuǎn)向時，又說明水流改變了方向。那么數(shù)碼粒子圖像測速技術(shù)能反饋給游泳者哪些信息呢？簡單地說，穩(wěn)定水流反映為圖像中那些排列較均勻的光標，而任何紊流或湍流，即不均勻光標的出現(xiàn)，都是人體橫向運動或縱向運動速度有別于穩(wěn)流速度所造成的。通過這些信息所描述的水場，可以反映與游泳者相互作用后的水流形態(tài)，從而可以反映泳者與水的作用力度和方向。

那么，這已流逝的水流對繼續(xù)前進的泳者還有作用嗎？要說明是否值得研究已流逝的水流形態(tài)，需要重述一下人體或魚兒在水中游進的原理。

以往，人們以為，逝水是沿著推力的方向滾滾而去的，但這在不可壓縮的水場中是不能成立的。利用數(shù)碼粒子圖像測速技術(shù)，人們得到了魚尾部的水場變化圖像（見圖2）。經(jīng)過數(shù)次拍攝，并進行計算機合成后我們發(fā)現(xiàn)，被魚尾推動后的水流，是一個類似救生圈形狀的翻轉(zhuǎn)水環(huán)（Vortex ring）（見圖3）。有的人可以在水下吐出一個個的氣環(huán)，很類似吸煙者吐出的煙，海豚就常在水下吐氣時，制造出這種氣環(huán)。事實上，無論氣環(huán)、煙圈、或翻轉(zhuǎn)的水流環(huán)，都是在特定壓力環(huán)境下，流體運動的一種形態(tài)，是運動規(guī)律使然。

圖1 數(shù)碼粒子圖像測速裝置

圖2 魚尾部的水場變化

圖3 模擬合成后的水流形態(tài)

圖4 魚尾擺動產(chǎn)生的漩渦

那么，這樣一個翻轉(zhuǎn)的水流環(huán)，對下一步的推進還有作用嗎？魚的尾鰭是否可以捕捉到逝水所殘存的推進力呢？下面就以圖4的魚尾為例做解讀。

當魚尾向它的左側(cè)擺動時，形成了一個翻轉(zhuǎn)水環(huán)，環(huán)翻轉(zhuǎn)的方向與魚尾對水的作用力方向相同，如圖4中F1、F2、P1、P2所示的方向。在不可壓縮的水中，這個翻轉(zhuǎn)水環(huán)并不會馬上消失或飄移走，而是在原地，甚至逆向地、依慣性翻轉(zhuǎn)著向魚尾靠近。其中僅就F1這一漩流部分而言，它就像用手撥動的滾軸，如果準備讓滾軸向反方向旋轉(zhuǎn)，需要做些什么呢？顯然，首先要將滾軸“制動”，然后再“啟動”一個反方向的旋轉(zhuǎn)力矩，方可使?jié)L軸向相反的方向旋轉(zhuǎn)?！爸苿印盕1的旋轉(zhuǎn)，對魚尾是一次沖擊，再“啟動”F1向反方向旋轉(zhuǎn)，對魚尾又是一次沖擊，魚尾就這樣反反復復，在撥動F1的過程中獲得了前進的動力。 在向反方向擺動時，則會導致F1的消失，但對F2部分，則在向反方向擺動時，進行了一次加速，從而留下了一連串、對稱旋轉(zhuǎn)著的F2漩渦，有人稱之為“甩漩”（Shed）。如果離水面比較近，我們就能看到兩排交替的F2漩渦。在搖櫓小船的后面，人們就常?？梢砸姷竭@樣的兩排漩渦。

接下來，我們再來分析人體在水中的情況。人體在水中運動時，它所受到的阻力為：F= d·v，其中V是物體運動的速度，d是與物體阻水面積相關(guān)的系數(shù)。常聽教練講，要捕捉到靜水，這個靜水換言之，就是要將V最大化，也就是要加速劃水。而更為廣義地說，只要流動速度小于手臂運動速度的水，即為靜水。

那么好了，要是水流的方向和手臂運動的方向正好相反呢？ 那豈不是二者的相對運動速度要遠遠大于手臂的運動速度，或者說是水流在沖擊著人體前進嗎？魚兒雖然沒有游泳教練，但它們顯然發(fā)現(xiàn)了大自然的奧秘— —從逝水當中獲取二次動力，因此它們通過使d最大化, 進化出了易于與水反復作用、凹陷形的魚尾末端。那么，人能做到嗎？

其實，我們?nèi)嗽谒刑咄葧r，也和魚一樣，會制造出各種各樣的翻轉(zhuǎn)水環(huán)，只是因為水流過于清澈，不易被察覺而已，但熟練的泳者都會用雙腳去捕捉對迎水面沖擊力最大的水流，有人把這叫作“腳上的水感”。比如，在做自由泳或仰泳的交替打腿時，雙腳會自然地迎著彼此帶動的水流方向運動，從而獲得比踢腿速度更大的水流沖擊力；而在做俯位或仰位的蝶泳腿時，雙腳也會盡量內(nèi)彎，以便與上一次踢腿帶動的逆向水流F1相遇，從而獲得更大的相對運動速度。有了速度，自然就有了阻力，推進就在其中了。

人在水中所獲得的動力，都是自身作用力的反作用力，從能量守恒定律來講，人不可能得到自身能量之外的推進力。比如這些漩渦，它們都是由人游動時產(chǎn)生的，它的剩余價值能不能被進一步利用，取決于泳者的水性，當然首先是對人與水互動關(guān)系的準確認知。

人從水中所獲得的推進力，僅集中在手、腳這些較小的部位，并且作用時間極其短暫，而數(shù)碼粒子圖像測速技術(shù)卻為我們提供了某一瞬間，水場與人體相互作用的任一剖面。這不僅可以使人們看清水場中那轉(zhuǎn)瞬即逝的部分，也可以使游泳技術(shù)分析更上一層樓，從而從人體和水場兩方面，準確客觀地評判泳姿的合理性。