科技之光

雖然跳水劃歸奧運會的水上項目并且屬于國際泳聯(lián)管轄，但游泳和跳水其實只能算“遠親”，體操才是跳水的“近親”。只不過體操的空中動作落到地上，跳水的空中動作落在水中而已。1900年巴黎奧運會，瑞典選手就從塞納河畔木材搭成的高臺上凌空飛起，向公眾展示了跳水的英姿。1904年圣路易奧運會上，10米跳臺跳水成為正式比賽項目，可惜當時還沒有多少套路，只能比賽誰跳得更遠，美國人謝爾登贏得了奧運歷史上第一塊跳水金牌（圖1）。從早期的瑞典、德國平分秋色到美國一支獨秀，從俄羅斯嶄露頭角到中國后來居上，盡管“百年風水輪流轉(zhuǎn)”，但跳水從來都是奧運會的“核心項目”。

（１）1904年圣路易奧運會跳水比賽

身姿曼妙、儀態(tài)萬方的跳水完全是動態(tài)的人體藝術。它需要靈巧柔韌的身體素質(zhì)，精確細膩的平衡能力，清醒敏銳的空間知覺。一個完美的跳水動作包括優(yōu)雅的起跳、瀟灑的騰空和輕捷的入水，這三個環(huán)節(jié)對于裁判來說具有同等的價值和份量。

若問跳板和跳臺的最大區(qū)別是什么，恐怕就在于跳板是“軟”的。作為撓度很大的彈性體，跳板下壓時能把運動員踩板的動能變成彈性勢能儲存起來，然后在起跳時釋放，將運動員“彈”向空中。鋁合金跳板取代木制跳板后彈性大大增加，使人留在空中的時間延長，一米跳板也來得及做點像樣的動作了。然而得心應手地駕馭跳板卻并非簡單的事（圖2）。

（2） 跳臺(左)跳板(右)

我們知道，以平衡位置為原點，在彈性回復力作用下產(chǎn)生的來回振動叫簡諧振動。跳板在運動員腳下的起伏低昂便是典型的簡諧振動，因此走板動作必須與跳板的固有頻率合拍，要按照跳板“忽悠”的節(jié)奏走，也就是讓步頻和跳板的基頻共振，達到“合板”狀態(tài)，從而獲得動能的疊加和積累（圖3）。如果步伐的快慢和跳板的升沉發(fā)生頻率錯位，就會帶來力量的相互沖撞抵消，出現(xiàn)“踩死板”的現(xiàn)象。還必須把人和板看成一個系統(tǒng)，體重不同的運動員在完全相同的板上行走，也會使系統(tǒng)有不同的振動周期。這就需要轉(zhuǎn)動支點齒輪來調(diào)整跳板自由端的長度,從而校正系統(tǒng)的固有頻率。一般而言，體重較輕、腿部力量較弱的運動員可適當增大自由端長度，使跳板“軟”些。體重較大，腿部力量較強的運動員則往往會減小自由端長度，讓跳板“硬”些。當跳板回彈到平衡位置時速度達到最大值，這時縱身離板，能獲得最大騰起高度。

（3） 運動員跳水時踩踏跳板的節(jié)奏是成功的關鍵

實際情況還要復雜得多，正式比賽用的跳板只有一端固定，屬于“單邊約束”，壓板時與中間的支撐點接觸,反彈時卻與支撐點分離。這種非線性的結(jié)構帶來跳板狀態(tài)的不確定性，只能靠科學知識加實踐經(jīng)驗來小心把握和拿捏。1988年漢城奧運會上，美國跳水名將洛加尼斯在反身翻騰兩周時頭部撞上跳板，2004年雅典奧運動會中國選手王克楠不慎失足，許多教訓都值得記取(圖4)。

（4） 雖然沒有受到重傷但洛加尼斯卻失去了奪金的機會

任何拋射物一旦進入無支撐狀態(tài)，重心的拋物線軌跡將無可更改，它的轉(zhuǎn)動甚至包括爆炸都不會帶來拋物線的變化。跳水運動員也是一樣，不管從3米跳板一躍而起，還是從10米跳臺騰飛而下，能夠停留在空中的時間只有1秒多鐘，所有嘔心瀝血、驚險離奇的“絕招”只不過是讓身體各部分圍繞質(zhì)心作相對運動罷了。

一個叫科學家長期困惑不解的問題，便是離開跳板時只做前后翻滾的運動員卻能在此后“憑空創(chuàng)造”出圍繞身體縱軸的旋轉(zhuǎn)，這看上去明顯違背了角動量守恒的常識。在沒有外部力矩作用的情況下，身體的旋轉(zhuǎn)角動量從何而來呢？1979年，美國的59位資深物理學家接受問卷調(diào)查，其中竟然有56%都做出了錯誤的回答，認為這種旋轉(zhuǎn)不可能發(fā)生。面對體育運動的“常青之樹”，理論又一次顯示了無奈的“灰色”。

有人聯(lián)想到貓四腳朝天從空中墜落時總能正常著地，認為跳水的旋轉(zhuǎn)動作和貓的轉(zhuǎn)身屬于同樣機制。這些研究對人類在宇宙空間的無支撐運動也許頗有意義，但解釋跳水中的人體旋轉(zhuǎn)卻不得要領(圖5)。

（5） 貓在空中的墜落過程

我們知道，體操運動員騰空前通過腳與地面的相互作用能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，由此帶來身體在空中的旋轉(zhuǎn)稱為“早旋”。跳水規(guī)則將“早旋”視為犯規(guī)，運動員騰起時只有繞橫軸的翻轉(zhuǎn)，“升空”后才通過手臂動作引起的身體縱向旋轉(zhuǎn)稱為“晚旋”。其中的全部奧妙在于，隨著運動員在空中將一條手臂突然“拋擲”過頭，另一條手臂迅速揮擺到髖部，身體形態(tài)和質(zhì)量分布的驟然變化和不對稱帶來旋轉(zhuǎn)軸的傾斜。為了滿足角動量守恒，身體必須將總角動量中多出的一部分轉(zhuǎn)化為縱軸旋轉(zhuǎn)。所以，跳水中“晚旋”的角動量是從離開跳板時身體繞橫軸的角動量中“挪用”過來的，此時身體繞兩個軸旋轉(zhuǎn)的角動量之和等于初始的總角動量(圖6)。

（6） 身體形態(tài)和質(zhì)量分布變化和不對稱帶來旋轉(zhuǎn)軸傾斜

運動員的入水是一種美麗的“濺落”，在這種固體流體碰撞中，如何讓濺起的水花減少到最低限度，其中的學問至今仍撲朔迷離。入水前最重要的動作是把握時機打開身體增加轉(zhuǎn)動慣量，以“剎”住旋轉(zhuǎn)并確保垂直入水?！皦核ā奔夹g更幾乎是各國跳水好手的秘密武器，不過基本原則已經(jīng)為眾所周知。起初人們先驗地認為將雙手合攏，呈流線型入水會阻力最小，濺起的水花也最小。據(jù)說有人在“冰棍”式跳水中無意發(fā)現(xiàn)不繃直腳尖而用腳掌對水效果更好，于是帶來了平掌撞水的壓水花技術。實驗表明，楔形物體墜入池中時，由于水的不可壓縮性，便沿著阻力最小的方向?qū)ふ页雎罚ㄐ挝锏男泵姹闶沁@個方向。而和方形物體碰撞的水主要橫向運動，因受到四周水的壓力無法沖騰而起，這便是掌心向下水花小的原因(圖7)。

（7） 手掌撞水壓水(左)與雙手合攏壓水(右)的效果示意圖

從10米跳臺入水時，瞬間速度達每秒15米，手部承受相當?shù)膲毫?，運動員在實踐中創(chuàng)造了不同的手型組合適應不同情況。由于入水時身體在空中的旋轉(zhuǎn)很難完全停止，手掌就需要正對速度的方向而不能只是平行于水面，這就是精巧微妙、“細節(jié)決定成敗”的“揉水”技術(圖8)。

（8） 跳水壓水花的不同手形

最悅目賞心和令人叫絕的跳水，要數(shù)2000年悉尼奧運會才正式進入比賽的雙人項目了。兩個選手起跳的高度和姿態(tài)、空中的弧度和進程、旋轉(zhuǎn)的相位和節(jié)律、落水的區(qū)域和時間，都必須完全同步、高度協(xié)調(diào)、互為鏡像、如影隨形。單人的完美并不等于共同的完美。初始條件的微小差別都將帶來巨大的積累誤差。而不同選手只要滿足同樣條件，彼此的動作便能夠互相復制，他們最形象地證明了力學中確定的因果關系(圖9)。

（9） 我國雙人跳水的當家花旦郭晶晶與吳敏霞在比賽中

看到跳水運動員在彈網(wǎng)和蹦床上進行訓練，便再次想到它的“兩棲”屬性和體操出身(圖10)。至于那些妙趣橫生的滑稽跳水，驚險刺激的懸崖跳水都逃不出基本的力學規(guī)則。今天跳水的“動作代碼本”和“難度系數(shù)表”已經(jīng)空前增厚，許多人驚呼跳水運動已經(jīng)到了頂峰和極限。不過別忘了，20年前就有人做過這種斷言。

（10） 跳水是蹦床的“近親”