水场中的秘密

文｜缴桂跃

若干年前，国家游泳队曾委托清华等高校，利用计算机流体力学（Computational Fluid Dynamics)，描述运动员在水中划水和踢腿时的水场。美国游泳队在北京奥运会前，也请了大学的专家，利用数码粒子图像测速（Digital Particle Image Velocimetry )技术进行同一工作。

透明的水究竟是如何运动的，这可能是每位游泳人感兴趣的问题。还是让我们先来了解一下水场照片是如何拍摄的吧。

所谓数码粒子图像测速技术，其原理类似设置在公路上的激光测速仪，这种技术通过对运动物体发射的两次激光脉冲往返的时间差，来确定物体的运动速度。这种测速装置的发射器采用氩离子脉冲激光器，接收器则采用数码照相机（详见图1）。

数码粒子图像测速装置与水槽配套使用，可以拍摄到水流沿X、Y、Z方向，随时间t流动变化的四维图片，反映泳者周围水场的瞬间变化。图中光标较均匀的为稳流层，光标的指向为水流方向；如果光标变长，说明水流速度加快；当光标转向时，又说明水流改变了方向。那么数码粒子图像测速技术能反馈给游泳者哪些信息呢？简单地说，稳定水流反映为图像中那些排列较均匀的光标，而任何紊流或湍流，即不均匀光标的出现，都是人体横向运动或纵向运动速度有别于稳流速度所造成的。通过这些信息所描述的水场，可以反映与游泳者相互作用后的水流形态，从而可以反映泳者与水的作用力度和方向。

那么，这已流逝的水流对继续前进的泳者还有作用吗？要说明是否值得研究已流逝的水流形态，需要重述一下人体或鱼儿在水中游进的原理。

以往，人们以为，逝水是沿着推力的方向滚滚而去的，但这在不可压缩的水场中是不能成立的。利用数码粒子图像测速技术，人们得到了鱼尾部的水场变化图像（见图2）。经过数次拍摄，并进行计算机合成后我们发现，被鱼尾推动后的水流，是一个类似救生圈形状的翻转水环（Vortex ring）（见图3）。有的人可以在水下吐出一个个的气环，很类似吸烟者吐出的烟，海豚就常在水下吐气时，制造出这种气环。事实上，无论气环、烟圈、或翻转的水流环，都是在特定压力环境下，流体运动的一种形态，是运动规律使然。

图1 数码粒子图像测速装置

图2 鱼尾部的水场变化

图3 模拟合成后的水流形态

图4 鱼尾摆动产生的漩涡

那么，这样一个翻转的水流环，对下一步的推进还有作用吗？鱼的尾鳍是否可以捕捉到逝水所残存的推进力呢？下面就以图4的鱼尾为例做解读。

当鱼尾向它的左侧摆动时，形成了一个翻转水环，环翻转的方向与鱼尾对水的作用力方向相同，如图4中F1、F2、P1、P2所示的方向。在不可压缩的水中，这个翻转水环并不会马上消失或飘移走，而是在原地，甚至逆向地、依惯性翻转着向鱼尾靠近。其中仅就F1这一漩流部分而言，它就像用手拨动的滚轴，如果准备让滚轴向反方向旋转，需要做些什么呢？显然，首先要将滚轴“制动”，然后再“启动”一个反方向的旋转力矩，方可使滚轴向相反的方向旋转。“制动”F1的旋转，对鱼尾是一次冲击，再“启动”F1向反方向旋转，对鱼尾又是一次冲击，鱼尾就这样反反复复，在拨动F1的过程中获得了前进的动力。 在向反方向摆动时，则会导致F1的消失，但对F2部分，则在向反方向摆动时，进行了一次加速，从而留下了一连串、对称旋转着的F2漩涡，有人称之为“甩漩”（Shed）。如果离水面比较近，我们就能看到两排交替的F2漩涡。在摇橹小船的后面，人们就常常可以见到这样的两排漩涡。

接下来，我们再来分析人体在水中的情况。人体在水中运动时，它所受到的阻力为：F= d·v，其中V是物体运动的速度，d是与物体阻水面积相关的系数。常听教练讲，要捕捉到静水，这个静水换言之，就是要将V最大化，也就是要加速划水。而更为广义地说，只要流动速度小于手臂运动速度的水，即为静水。

那么好了，要是水流的方向和手臂运动的方向正好相反呢？ 那岂不是二者的相对运动速度要远远大于手臂的运动速度，或者说是水流在冲击着人体前进吗？鱼儿虽然没有游泳教练，但它们显然发现了大自然的奥秘— —从逝水当中获取二次动力，因此它们通过使d最大化, 进化出了易于与水反复作用、凹陷形的鱼尾末端。那么，人能做到吗？

其实，我们人在水中踢腿时，也和鱼一样，会制造出各种各样的翻转水环，只是因为水流过于清澈，不易被察觉而已，但熟练的泳者都会用双脚去捕捉对迎水面冲击力最大的水流，有人把这叫作“脚上的水感”。比如，在做自由泳或仰泳的交替打腿时，双脚会自然地迎着彼此带动的水流方向运动，从而获得比踢腿速度更大的水流冲击力；而在做俯位或仰位的蝶泳腿时，双脚也会尽量内弯，以便与上一次踢腿带动的逆向水流F1相遇，从而获得更大的相对运动速度。有了速度，自然就有了阻力，推进就在其中了。

人在水中所获得的动力，都是自身作用力的反作用力，从能量守恒定律来讲，人不可能得到自身能量之外的推进力。比如这些漩涡，它们都是由人游动时产生的，它的剩余价值能不能被进一步利用，取决于泳者的水性，当然首先是对人与水互动关系的准确认知。

人从水中所获得的推进力，仅集中在手、脚这些较小的部位，并且作用时间极其短暂，而数码粒子图像测速技术却为我们提供了某一瞬间，水场与人体相互作用的任一剖面。这不仅可以使人们看清水场中那转瞬即逝的部分，也可以使游泳技术分析更上一层楼，从而从人体和水场两方面，准确客观地评判泳姿的合理性。