美丽的溅落

科技之光

虽然跳水划归奥运会的水上项目并且属于国际泳联管辖，但游泳和跳水其实只能算“远亲”，体操才是跳水的“近亲”。只不过体操的空中动作落到地上，跳水的空中动作落在水中而已。1900年巴黎奥运会，瑞典选手就从塞纳河畔木材搭成的高台上凌空飞起，向公众展示了跳水的英姿。1904年圣路易奥运会上，10米跳台跳水成为正式比赛项目，可惜当时还没有多少套路，只能比赛谁跳得更远，美国人谢尔登赢得了奥运历史上第一块跳水金牌（图1）。从早期的瑞典、德国平分秋色到美国一支独秀，从俄罗斯崭露头角到中国后来居上，尽管“百年风水轮流转”，但跳水从来都是奥运会的“核心项目”。

（１）1904年圣路易奥运会跳水比赛

身姿曼妙、仪态万方的跳水完全是动态的人体艺术。它需要灵巧柔韧的身体素质，精确细腻的平衡能力，清醒敏锐的空间知觉。一个完美的跳水动作包括优雅的起跳、潇洒的腾空和轻捷的入水，这三个环节对于裁判来说具有同等的价值和份量。

若问跳板和跳台的最大区别是什么，恐怕就在于跳板是“软”的。作为挠度很大的弹性体，跳板下压时能把运动员踩板的动能变成弹性势能储存起来，然后在起跳时释放，将运动员“弹”向空中。铝合金跳板取代木制跳板后弹性大大增加，使人留在空中的时间延长，一米跳板也来得及做点像样的动作了。然而得心应手地驾驭跳板却并非简单的事（图2）。

（2） 跳台(左)跳板(右)

我们知道，以平衡位置为原点，在弹性回复力作用下产生的来回振动叫简谐振动。跳板在运动员脚下的起伏低昂便是典型的简谐振动，因此走板动作必须与跳板的固有频率合拍，要按照跳板“忽悠”的节奏走，也就是让步频和跳板的基频共振，达到“合板”状态，从而获得动能的叠加和积累（图3）。如果步伐的快慢和跳板的升沉发生频率错位，就会带来力量的相互冲撞抵消，出现“踩死板”的现象。还必须把人和板看成一个系统，体重不同的运动员在完全相同的板上行走，也会使系统有不同的振动周期。这就需要转动支点齿轮来调整跳板自由端的长度,从而校正系统的固有频率。一般而言，体重较轻、腿部力量较弱的运动员可适当增大自由端长度，使跳板“软”些。体重较大，腿部力量较强的运动员则往往会减小自由端长度，让跳板“硬”些。当跳板回弹到平衡位置时速度达到最大值，这时纵身离板，能获得最大腾起高度。

（3） 运动员跳水时踩踏跳板的节奏是成功的关键

实际情况还要复杂得多，正式比赛用的跳板只有一端固定，属于“单边约束”，压板时与中间的支撑点接触,反弹时却与支撑点分离。这种非线性的结构带来跳板状态的不确定性，只能靠科学知识加实践经验来小心把握和拿捏。1988年汉城奥运会上，美国跳水名将洛加尼斯在反身翻腾两周时头部撞上跳板，2004年雅典奥运动会中国选手王克楠不慎失足，许多教训都值得记取(图4)。

（4） 虽然没有受到重伤但洛加尼斯却失去了夺金的机会

任何抛射物一旦进入无支撑状态，重心的抛物线轨迹将无可更改，它的转动甚至包括爆炸都不会带来抛物线的变化。跳水运动员也是一样，不管从3米跳板一跃而起，还是从10米跳台腾飞而下，能够停留在空中的时间只有1秒多钟，所有呕心沥血、惊险离奇的“绝招”只不过是让身体各部分围绕质心作相对运动罢了。

一个叫科学家长期困惑不解的问题，便是离开跳板时只做前后翻滚的运动员却能在此后“凭空创造”出围绕身体纵轴的旋转，这看上去明显违背了角动量守恒的常识。在没有外部力矩作用的情况下，身体的旋转角动量从何而来呢？1979年，美国的59位资深物理学家接受问卷调查，其中竟然有56%都做出了错误的回答，认为这种旋转不可能发生。面对体育运动的“常青之树”，理论又一次显示了无奈的“灰色”。

有人联想到猫四脚朝天从空中坠落时总能正常着地，认为跳水的旋转动作和猫的转身属于同样机制。这些研究对人类在宇宙空间的无支撑运动也许颇有意义，但解释跳水中的人体旋转却不得要领(图5)。

（5） 猫在空中的坠落过程

我们知道，体操运动员腾空前通过脚与地面的相互作用能产生旋转力矩，由此带来身体在空中的旋转称为“早旋”。跳水规则将“早旋”视为犯规，运动员腾起时只有绕横轴的翻转，“升空”后才通过手臂动作引起的身体纵向旋转称为“晚旋”。其中的全部奥妙在于，随着运动员在空中将一条手臂突然“抛掷”过头，另一条手臂迅速挥摆到髋部，身体形态和质量分布的骤然变化和不对称带来旋转轴的倾斜。为了满足角动量守恒，身体必须将总角动量中多出的一部分转化为纵轴旋转。所以，跳水中“晚旋”的角动量是从离开跳板时身体绕横轴的角动量中“挪用”过来的，此时身体绕两个轴旋转的角动量之和等于初始的总角动量(图6)。

（6） 身体形态和质量分布变化和不对称带来旋转轴倾斜

运动员的入水是一种美丽的“溅落”，在这种固体流体碰撞中，如何让溅起的水花减少到最低限度，其中的学问至今仍扑朔迷离。入水前最重要的动作是把握时机打开身体增加转动惯量，以“刹”住旋转并确保垂直入水。“压水花”技术更几乎是各国跳水好手的秘密武器，不过基本原则已经为众所周知。起初人们先验地认为将双手合拢，呈流线型入水会阻力最小，溅起的水花也最小。据说有人在“冰棍”式跳水中无意发现不绷直脚尖而用脚掌对水效果更好，于是带来了平掌撞水的压水花技术。实验表明，楔形物体坠入池中时，由于水的不可压缩性，便沿着阻力最小的方向寻找出路，楔形物的斜面便是这个方向。而和方形物体碰撞的水主要横向运动，因受到四周水的压力无法冲腾而起，这便是掌心向下水花小的原因(图7)。

（7） 手掌撞水压水(左)与双手合拢压水(右)的效果示意图

从10米跳台入水时，瞬间速度达每秒15米，手部承受相当的压力，运动员在实践中创造了不同的手型组合适应不同情况。由于入水时身体在空中的旋转很难完全停止，手掌就需要正对速度的方向而不能只是平行于水面，这就是精巧微妙、“细节决定成败”的“揉水”技术(图8)。

（8） 跳水压水花的不同手形

最悦目赏心和令人叫绝的跳水，要数2000年悉尼奥运会才正式进入比赛的双人项目了。两个选手起跳的高度和姿态、空中的弧度和进程、旋转的相位和节律、落水的区域和时间，都必须完全同步、高度协调、互为镜像、如影随形。单人的完美并不等于共同的完美。初始条件的微小差别都将带来巨大的积累误差。而不同选手只要满足同样条件，彼此的动作便能够互相复制，他们最形象地证明了力学中确定的因果关系(图9)。

（9） 我国双人跳水的当家花旦郭晶晶与吴敏霞在比赛中

看到跳水运动员在弹网和蹦床上进行训练，便再次想到它的“两栖”属性和体操出身(图10)。至于那些妙趣横生的滑稽跳水，惊险刺激的悬崖跳水都逃不出基本的力学规则。今天跳水的“动作代码本”和“难度系数表”已经空前增厚，许多人惊呼跳水运动已经到了顶峰和极限。不过别忘了，20年前就有人做过这种断言。

（10） 跳水是蹦床的“近亲”