电火花形成机理的计算机模拟分析

电火花形成机理的计算机模拟分析

1对“形成”的规律的研究高水平竞技水上运动比赛的关键能力是否能够抑制“花水”，往往直接影响运动员的得分。特别是在国内外高水平比赛中，“花水”的程度已成为竞争银牌的焦点。所以，教练员、运动员都非常重视“压水花”的训练，已经探索总结出不少“压水花”技术的训练方法，但在理论研究上还远远落后于实践，对人、水碰撞过程中“水花”形成的基本规律的研究尚不多见。笔者于2000年完成了对人、水碰撞过程的计算机模拟研究，研究结果表明，液体和锲形固体碰撞过程中冲击力的大小和固体速度的衰减，都与锲形固体的尖锐程度（斜升角）成反比，而液面溅起的高度则与其尖锐程度成正比。80°斜升角的锲形体和4°斜升角的锲形体撞击液面产生的水花高度相差近20倍。当锲形体斜升角减小到0°时，即锲形体变成了方形体时就能把“水花”减小到最低点。是什么原因造成了这种“水花”高低的差异？运动员应采用什么样的技术才能有效地控制住“水花”？这是需要深入研究的问题。2建立“水面”的简化模型在对人、水碰撞过程进行计算机模拟方面已经取得阶段性成果的基础上，根据有关流体力学理论和力学原理，重点对“水花”形成的机理进行进一步分析。在研究中，首先建立人水碰撞的简化模型。当运动员撞入水面时，可把两手臂上举，两手合掌成尖锐状的人体简化成“楔形体”；把两手臂上举，顶肩翻掌以手掌平面撞入水面的人体简化成“方形体”；把具有翻转速度并以平掌撞水的运动人体简化为“翻转方形体”。其次，分析液体在受到固体撞击时的运动趋势，分别探讨和总结出不同形状固体在不同条件下撞击水面时“水花”形成的规律。根据这个规律，对“压水花”技术进行生物力学研究，提出了撞、揉结合的“压水花”理论，并把这一理论应用于江苏省跳水队的训练实践，取得了良好的效果。3在受方局部的作用下，使整体运动在跳水运动中，人体以一定的姿势撞入水面，就产生人体（固体）和水（流体）的碰撞。在流固相撞中，原本平静的液体受到固体的冲撞，一部分撞击能量传递到部分液体上，使这部分液体运动，形成水花。由于水受压后其体积的变化非常小，具有不可压缩性。它在受到力的作用时，力对水只能起推动作用，加之水的粘滞性小，在受力时水的运动会表现出不均匀性，局部受力的水不会沿力的方向产生同一个方向的运动，而是向压强最低（最容易逃逸）的方向运动。这一特性决定了水花的形成与冲撞固体的形状有关。因而，通过分析不同形状固体撞击水面时产生的波动效应，就可以揭示人体入水时“水花”形成的基本规律性。3.1斜状的水的形成如果跳水运动员是以两手臂上举，两手合掌成尖锐状的姿势入水，就相当于一个楔形体，以其尖锐端向下撞击水面（见图1）。水受到向斜下方的挤压，其作用力垂直于楔形体斜面。最靠近插入物的水受到挤压后，会沿着受力方向产生运动，但由于在其它方向都受到相邻水的反挤压力作用，限制了受挤压水的运动，只有沿着尖锐插入物斜上方A的方向，没有其它水的挤压，这就形成了压强最低，最容易逃逸的方向。因而，首先受挤压的水就向这个方向逃逸。随着物体的继续插入，因为上面的水已沿这个方向逃逸，对其下部受挤压的水来说，该方向又成为最容易逃逸的方向。因而，下面的水又不断沿着该方向逃逸，形成巨大的水花。速度越快，冲击力越大，水花就越大。可见，当楔形固体与液体发生碰撞时，水受挤压是沿着楔形体斜面向斜上方逃逸，形成喷溅水流，其水柱的高低与斜面的斜升角β，即水流的抛射角有关。在逃逸速度相同的情况下，抛射角越大，水花所能达到的高度就越高，这也就是在本系列论文之一的计算机模拟实验中，楔形体斜升角越大，水花越高的原因。3.2入水后的水的挤压方向如果跳水运动员采用两手臂上举，顶肩翻掌的姿势，以手掌平面率先撞入水面，这时撞入水面的物体就不是尖锐状，而是有一定面积的方形体（方形体也可看作是斜升角β为0°的楔形体，见图2），情况就不同了。物体入水后对水的挤压方向是垂直向下，这时水受挤压向四周扩散，由于四周都存在相邻水的反挤压力，因而不会形成很容易逃逸的方向。向四周扩散的水在相邻水的反挤压力作用下，会使一部分水沿插入物的垂直壁向上运动，但这时由于入水物体的高速垂直向下运动，反而会把紧贴在它周围的水带着向下运动，当这种运动速度大于水受挤压沿壁向上运动的速度时，就不会出现明显的水花。因而在跳水运动中，如果运动员在入水时，不是把双手合拢成楔形体，而是翻掌将掌心对着水面，两手形成一定的撞水面，这样的入水技术就能有效地减小水花。3.3．保持用户自由过人的力度运动员在跳水运动中，其身体并不是单纯地垂直入水，还要在空中完成各种高速翻转动作。如果跳水运动员采用两手臂上举，顶肩翻掌的姿势，在以手掌平面撞入水面的同时，还伴有快速的前空翻或后空翻动作，显然，这时人体入水就不能仅仅看作垂直向下撞水的方形体来分析，还必须考虑翻转问题。高速翻转的方形体撞击水面时，其速度的方向并不是垂直向下的，而是取决于由随质心平动和绕质心转动的两部分运动速度的合速度V合，其方向指向侧下方（见图3）。如果运动员仍然平掌垂直向下撞水，一旦撞入水面，方形体就会向某一棱角方向运动，产生楔形体效果，水就会沿着掌面和手臂侧面逃逸，形成水花。运动员就会感到“压”不住水花，或者是水花压“漂”掉了。这时运动员需要根据不同的翻转方向转动手腕，保持掌心正对合速度V合的方向（见图4a,b）。一旦人体接触水面，水的阻力会产生一个与人体翻转方向相反的阻力矩，使人体翻转速度?急剧下降，使合速度V合方向转向垂直下方，这时又要转掌向下，确保掌心始终正对合速度的方向（见图4c)所以，当运动员以高速前空翻或后空翻动作入水，人手接触水面时的速度，并不是垂直向下，而是具有翻转方形体的撞水效应，即指向斜下方。这时，运动员必须采用一定的技术，保持掌心形成的面始终垂直于运动合速度的方向。一般来说，在运动员手接触水面的一刹那，前空翻动作，掌根、小指侧要用力下压，使掌心侧向前下方；后空翻动作，拇指侧要用力下压，使掌心侧向后下方。一旦人体接触水面，水的阻力会产生一个与人体翻转方向相反的阻力矩，使人体翻转速度急剧下降，在很短的时间内，人体手的运动方向会由向斜下变为垂直向下，这时运动员要保持手掌面始终正对速度方向，就必须反方向用力，即前空翻动作要拇指侧用力，后空翻动作要掌根和小指侧用力，才能使掌心转向垂直向下的方向，整个动作过程就好像用手把水“揉”了一下。因此，运动员为了更有效地控制住水花，不仅要顶肩翻掌，掌心对着水面，取得方形体的入水效果，还要有效地做“揉”水动作，“揉”水的方向、幅度和力度与运动员入水时翻转的方向、速度、人体下落前重心最高点的位置，以及运动员的体重等都有关。运动员只有根据自己的实际情况，掌握好撞水和揉水技术，保持合理的身体姿势，才能在入水过程中始终“压”住水花。4结合“压花”技术4.1顶肩翻掌技术根据理论研究的结果，跳水运动员要想在入水时压低水花，就必需采用两手臂上举，顶肩翻掌的姿势，以手掌平面撞入水面的“方形体”技术。特别是在高速落入水中时（如高台跳水），由于从起跳到入水，下落距离达到10m以上，撞击水面时速度非常大（达到14m/s以上）。根据理论分析，高速下落的“方形体”会把紧贴它的水带着向下运动，当这种运动速度大于水由于反挤压力而形成向上的运动速度时，就不会出现大的水花。训练的关键就是“方形体”技术，运动员要熟练掌握平掌垂直向下撞水动作，并且尽可能地扩大两手掌的面积。采用顶肩翻掌指尖相触型技术，这种技术能够最大限度地减小手掌的面积与肩部横剖面之间的差异，使整个人体更加接近“方形体”。当然，这对运动员手腕力量必然提出了更高的要求。当人体撞入水面时，水对手会产生巨大的冲击力。由于两手之间只是指尖相触，不能相互借力，必须完全靠手腕的力量来维持平掌姿势。另外，如果运动员力量不够，不能保持“方形体”技术必须的身体刚度，身体某个部位有一点问题，都会产生很大的水花。因此，训练中尤其要重视手腕、肘、肩等关节的力量训练。对于手腕力量不足，肩部比较狭窄的运动员，特别是女队员，可以采用顶肩翻掌两手相对，手指交叉握型，或者顶肩翻掌两手重叠型的“压水花”技术。这样，两手可以牢固相握，相互借力，形成比较稳固的“方形体”，减少手腕关节的撞击损伤。当然，这种技术的弱点也是显而易见的。采用这种技术撞水时，两手形成的撞水面积比较小，特别是肩部比较宽的运动员，由于手平面和肩平面之间的面积差异，会形成两臂的斜升角，人体入水时很容易产生水花。4.2．基于“压水生”技术的训练对于下落速度相对较小，并伴有高速前、后空翻的入水动作，不仅要掌握平掌撞水的“方形体”技术，更要会熟练运用平掌入水后的“揉水”技术，使人体撞入水面后，能够保持掌心正对合速度的方向。向后空翻入水“压水花”的动作，顶肩翻掌撞入水面时，应比向前动作的翻掌面稍大一些，这有利于抬头、提肩、平掌撞水。入水后随着合速度方向的变化，拇指和小指侧相继用力下压，形成先向后再向前的揉水动作。而向前空翻的入水翻掌比向后翻转时的入水稍小，平掌撞水后，揉水方向与后空翻相反，是小指侧先用力，紧接着拇指侧用力下压，形成先向前再向后的揉水动作。揉水动作的速度和幅度，都与向前、向后空翻的速度成正比，同时还要根据人体入水的角度，身体姿势等具体情况作相应的调整。比如，在前空翻入水时，如果翻转稍感不够，可在并手时留有一点肩角，如果稍过一点，可顺势做水下滚翻，这是入水瞬间身体不能完全垂直时采取的补救措施，是使人体沿合速度的方向撞入水中的调整措施。另外，向前翻转的“压水花”技术，还可以采用手触水前瞬间加速打开身体，即加速腿的转动，使人体翻转的动能集中到腿上，而上体相对水面保持固定，形成手和上体入水时合速度的方向保持垂直向下，这样可以简化揉水技术，只要保持掌心垂直向下撞入水中即可，这种技术对训练时间不长的新手来说比较容易掌握。在跳水“压水花”技术的实际训练中，对于下落速度占主导地位的动作，要更侧重“撞水”技术的训练，而翻转速度占主导地位的动作，要更侧重“揉水”技术的训练。当然，随着跳水技术的不断发展，动作难度越来越大，在高水平的比赛中，所有动作几乎都是伴随着高速翻转的下落运动。因而，更有效地压低水花的方法就是撞、揉结合的“压水花”技术的灵活运用。只有把“撞水”技术和“揉水”技术有机结合起来，才能把水花控制在最小程度。5形成“水面”(1）跳水运动员入水（人、水碰撞）过程中，其手、手臂或身体的一部