電火花形成機(jī)理的計(jì)算機(jī)模擬分析

電火花形成機(jī)理的計(jì)算機(jī)模擬分析

1對“形成”的規(guī)律的研究高水平競技水上運(yùn)動比賽的關(guān)鍵能力是否能夠抑制“花水”，往往直接影響運(yùn)動員的得分。特別是在國內(nèi)外高水平比賽中，“花水”的程度已成為競爭銀牌的焦點(diǎn)。所以，教練員、運(yùn)動員都非常重視“壓水花”的訓(xùn)練，已經(jīng)探索總結(jié)出不少“壓水花”技術(shù)的訓(xùn)練方法，但在理論研究上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)踐，對人、水碰撞過程中“水花”形成的基本規(guī)律的研究尚不多見。筆者于2000年完成了對人、水碰撞過程的計(jì)算機(jī)模擬研究，研究結(jié)果表明，液體和鍥形固體碰撞過程中沖擊力的大小和固體速度的衰減，都與鍥形固體的尖銳程度（斜升角）成反比，而液面濺起的高度則與其尖銳程度成正比。80°斜升角的鍥形體和4°斜升角的鍥形體撞擊液面產(chǎn)生的水花高度相差近20倍。當(dāng)鍥形體斜升角減小到0°時(shí)，即鍥形體變成了方形體時(shí)就能把“水花”減小到最低點(diǎn)。是什么原因造成了這種“水花”高低的差異？運(yùn)動員應(yīng)采用什么樣的技術(shù)才能有效地控制住“水花”？這是需要深入研究的問題。2建立“水面”的簡化模型在對人、水碰撞過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬方面已經(jīng)取得階段性成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)有關(guān)流體力學(xué)理論和力學(xué)原理，重點(diǎn)對“水花”形成的機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步分析。在研究中，首先建立人水碰撞的簡化模型。當(dāng)運(yùn)動員撞入水面時(shí)，可把兩手臂上舉，兩手合掌成尖銳狀的人體簡化成“楔形體”；把兩手臂上舉，頂肩翻掌以手掌平面撞入水面的人體簡化成“方形體”；把具有翻轉(zhuǎn)速度并以平掌撞水的運(yùn)動人體簡化為“翻轉(zhuǎn)方形體”。其次，分析液體在受到固體撞擊時(shí)的運(yùn)動趨勢，分別探討和總結(jié)出不同形狀固體在不同條件下撞擊水面時(shí)“水花”形成的規(guī)律。根據(jù)這個(gè)規(guī)律，對“壓水花”技術(shù)進(jìn)行生物力學(xué)研究，提出了撞、揉結(jié)合的“壓水花”理論，并把這一理論應(yīng)用于江蘇省跳水隊(duì)的訓(xùn)練實(shí)踐，取得了良好的效果。3在受方局部的作用下，使整體運(yùn)動在跳水運(yùn)動中，人體以一定的姿勢撞入水面，就產(chǎn)生人體（固體）和水（流體）的碰撞。在流固相撞中，原本平靜的液體受到固體的沖撞，一部分撞擊能量傳遞到部分液體上，使這部分液體運(yùn)動，形成水花。由于水受壓后其體積的變化非常小，具有不可壓縮性。它在受到力的作用時(shí)，力對水只能起推動作用，加之水的粘滯性小，在受力時(shí)水的運(yùn)動會表現(xiàn)出不均勻性，局部受力的水不會沿力的方向產(chǎn)生同一個(gè)方向的運(yùn)動，而是向壓強(qiáng)最低（最容易逃逸）的方向運(yùn)動。這一特性決定了水花的形成與沖撞固體的形狀有關(guān)。因而，通過分析不同形狀固體撞擊水面時(shí)產(chǎn)生的波動效應(yīng)，就可以揭示人體入水時(shí)“水花”形成的基本規(guī)律性。3.1斜狀的水的形成如果跳水運(yùn)動員是以兩手臂上舉，兩手合掌成尖銳狀的姿勢入水，就相當(dāng)于一個(gè)楔形體，以其尖銳端向下撞擊水面（見圖1）。水受到向斜下方的擠壓，其作用力垂直于楔形體斜面。最靠近插入物的水受到擠壓后，會沿著受力方向產(chǎn)生運(yùn)動，但由于在其它方向都受到相鄰水的反擠壓力作用，限制了受擠壓水的運(yùn)動，只有沿著尖銳插入物斜上方A的方向，沒有其它水的擠壓，這就形成了壓強(qiáng)最低，最容易逃逸的方向。因而，首先受擠壓的水就向這個(gè)方向逃逸。隨著物體的繼續(xù)插入，因?yàn)樯厦娴乃蜒剡@個(gè)方向逃逸，對其下部受擠壓的水來說，該方向又成為最容易逃逸的方向。因而，下面的水又不斷沿著該方向逃逸，形成巨大的水花。速度越快，沖擊力越大，水花就越大?？梢姡?dāng)楔形固體與液體發(fā)生碰撞時(shí)，水受擠壓是沿著楔形體斜面向斜上方逃逸，形成噴濺水流，其水柱的高低與斜面的斜升角β，即水流的拋射角有關(guān)。在逃逸速度相同的情況下，拋射角越大，水花所能達(dá)到的高度就越高，這也就是在本系列論文之一的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)中，楔形體斜升角越大，水花越高的原因。3.2入水后的水的擠壓方向如果跳水運(yùn)動員采用兩手臂上舉，頂肩翻掌的姿勢，以手掌平面率先撞入水面，這時(shí)撞入水面的物體就不是尖銳狀，而是有一定面積的方形體（方形體也可看作是斜升角β為0°的楔形體，見圖2），情況就不同了。物體入水后對水的擠壓方向是垂直向下，這時(shí)水受擠壓向四周擴(kuò)散，由于四周都存在相鄰水的反擠壓力，因而不會形成很容易逃逸的方向。向四周擴(kuò)散的水在相鄰水的反擠壓力作用下，會使一部分水沿插入物的垂直壁向上運(yùn)動，但這時(shí)由于入水物體的高速垂直向下運(yùn)動，反而會把緊貼在它周圍的水帶著向下運(yùn)動，當(dāng)這種運(yùn)動速度大于水受擠壓沿壁向上運(yùn)動的速度時(shí)，就不會出現(xiàn)明顯的水花。因而在跳水運(yùn)動中，如果運(yùn)動員在入水時(shí)，不是把雙手合攏成楔形體，而是翻掌將掌心對著水面，兩手形成一定的撞水面，這樣的入水技術(shù)就能有效地減小水花。3.3．保持用戶自由過人的力度運(yùn)動員在跳水運(yùn)動中，其身體并不是單純地垂直入水，還要在空中完成各種高速翻轉(zhuǎn)動作。如果跳水運(yùn)動員采用兩手臂上舉，頂肩翻掌的姿勢，在以手掌平面撞入水面的同時(shí)，還伴有快速的前空翻或后空翻動作，顯然，這時(shí)人體入水就不能僅僅看作垂直向下撞水的方形體來分析，還必須考慮翻轉(zhuǎn)問題。高速翻轉(zhuǎn)的方形體撞擊水面時(shí)，其速度的方向并不是垂直向下的，而是取決于由隨質(zhì)心平動和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的兩部分運(yùn)動速度的合速度V合，其方向指向側(cè)下方（見圖3）。如果運(yùn)動員仍然平掌垂直向下撞水，一旦撞入水面，方形體就會向某一棱角方向運(yùn)動，產(chǎn)生楔形體效果，水就會沿著掌面和手臂側(cè)面逃逸，形成水花。運(yùn)動員就會感到“壓”不住水花，或者是水花壓“漂”掉了。這時(shí)運(yùn)動員需要根據(jù)不同的翻轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動手腕，保持掌心正對合速度V合的方向（見圖4a,b）。一旦人體接觸水面，水的阻力會產(chǎn)生一個(gè)與人體翻轉(zhuǎn)方向相反的阻力矩，使人體翻轉(zhuǎn)速度?急劇下降，使合速度V合方向轉(zhuǎn)向垂直下方，這時(shí)又要轉(zhuǎn)掌向下，確保掌心始終正對合速度的方向（見圖4c)所以，當(dāng)運(yùn)動員以高速前空翻或后空翻動作入水，人手接觸水面時(shí)的速度，并不是垂直向下，而是具有翻轉(zhuǎn)方形體的撞水效應(yīng)，即指向斜下方。這時(shí)，運(yùn)動員必須采用一定的技術(shù)，保持掌心形成的面始終垂直于運(yùn)動合速度的方向。一般來說，在運(yùn)動員手接觸水面的一剎那，前空翻動作，掌根、小指側(cè)要用力下壓，使掌心側(cè)向前下方；后空翻動作，拇指側(cè)要用力下壓，使掌心側(cè)向后下方。一旦人體接觸水面，水的阻力會產(chǎn)生一個(gè)與人體翻轉(zhuǎn)方向相反的阻力矩，使人體翻轉(zhuǎn)速度急劇下降，在很短的時(shí)間內(nèi)，人體手的運(yùn)動方向會由向斜下變?yōu)榇怪毕蛳拢@時(shí)運(yùn)動員要保持手掌面始終正對速度方向，就必須反方向用力，即前空翻動作要拇指側(cè)用力，后空翻動作要掌根和小指側(cè)用力，才能使掌心轉(zhuǎn)向垂直向下的方向，整個(gè)動作過程就好像用手把水“揉”了一下。因此，運(yùn)動員為了更有效地控制住水花，不僅要頂肩翻掌，掌心對著水面，取得方形體的入水效果，還要有效地做“揉”水動作，“揉”水的方向、幅度和力度與運(yùn)動員入水時(shí)翻轉(zhuǎn)的方向、速度、人體下落前重心最高點(diǎn)的位置，以及運(yùn)動員的體重等都有關(guān)。運(yùn)動員只有根據(jù)自己的實(shí)際情況，掌握好撞水和揉水技術(shù)，保持合理的身體姿勢，才能在入水過程中始終“壓”住水花。4結(jié)合“壓花”技術(shù)4.1頂肩翻掌技術(shù)根據(jù)理論研究的結(jié)果，跳水運(yùn)動員要想在入水時(shí)壓低水花，就必需采用兩手臂上舉，頂肩翻掌的姿勢，以手掌平面撞入水面的“方形體”技術(shù)。特別是在高速落入水中時(shí)（如高臺跳水），由于從起跳到入水，下落距離達(dá)到10m以上，撞擊水面時(shí)速度非常大（達(dá)到14m/s以上）。根據(jù)理論分析，高速下落的“方形體”會把緊貼它的水帶著向下運(yùn)動，當(dāng)這種運(yùn)動速度大于水由于反擠壓力而形成向上的運(yùn)動速度時(shí)，就不會出現(xiàn)大的水花。訓(xùn)練的關(guān)鍵就是“方形體”技術(shù)，運(yùn)動員要熟練掌握平掌垂直向下撞水動作，并且盡可能地?cái)U(kuò)大兩手掌的面積。采用頂肩翻掌指尖相觸型技術(shù)，這種技術(shù)能夠最大限度地減小手掌的面積與肩部橫剖面之間的差異，使整個(gè)人體更加接近“方形體”。當(dāng)然，這對運(yùn)動員手腕力量必然提出了更高的要求。當(dāng)人體撞入水面時(shí)，水對手會產(chǎn)生巨大的沖擊力。由于兩手之間只是指尖相觸，不能相互借力，必須完全靠手腕的力量來維持平掌姿勢。另外，如果運(yùn)動員力量不夠，不能保持“方形體”技術(shù)必須的身體剛度，身體某個(gè)部位有一點(diǎn)問題，都會產(chǎn)生很大的水花。因此，訓(xùn)練中尤其要重視手腕、肘、肩等關(guān)節(jié)的力量訓(xùn)練。對于手腕力量不足，肩部比較狹窄的運(yùn)動員，特別是女隊(duì)員，可以采用頂肩翻掌兩手相對，手指交叉握型，或者頂肩翻掌兩手重疊型的“壓水花”技術(shù)。這樣，兩手可以牢固相握，相互借力，形成比較穩(wěn)固的“方形體”，減少手腕關(guān)節(jié)的撞擊損傷。當(dāng)然，這種技術(shù)的弱點(diǎn)也是顯而易見的。采用這種技術(shù)撞水時(shí)，兩手形成的撞水面積比較小，特別是肩部比較寬的運(yùn)動員，由于手平面和肩平面之間的面積差異，會形成兩臂的斜升角，人體入水時(shí)很容易產(chǎn)生水花。4.2．基于“壓水生”技術(shù)的訓(xùn)練對于下落速度相對較小，并伴有高速前、后空翻的入水動作，不僅要掌握平掌撞水的“方形體”技術(shù)，更要會熟練運(yùn)用平掌入水后的“揉水”技術(shù)，使人體撞入水面后，能夠保持掌心正對合速度的方向。向后空翻入水“壓水花”的動作，頂肩翻掌撞入水面時(shí)，應(yīng)比向前動作的翻掌面稍大一些，這有利于抬頭、提肩、平掌撞水。入水后隨著合速度方向的變化，拇指和小指側(cè)相繼用力下壓，形成先向后再向前的揉水動作。而向前空翻的入水翻掌比向后翻轉(zhuǎn)時(shí)的入水稍小，平掌撞水后，揉水方向與后空翻相反，是小指側(cè)先用力，緊接著拇指側(cè)用力下壓，形成先向前再向后的揉水動作。揉水動作的速度和幅度，都與向前、向后空翻的速度成正比，同時(shí)還要根據(jù)人體入水的角度，身體姿勢等具體情況作相應(yīng)的調(diào)整。比如，在前空翻入水時(shí)，如果翻轉(zhuǎn)稍感不夠，可在并手時(shí)留有一點(diǎn)肩角，如果稍過一點(diǎn)，可順勢做水下滾翻，這是入水瞬間身體不能完全垂直時(shí)采取的補(bǔ)救措施，是使人體沿合速度的方向撞入水中的調(diào)整措施。另外，向前翻轉(zhuǎn)的“壓水花”技術(shù)，還可以采用手觸水前瞬間加速打開身體，即加速腿的轉(zhuǎn)動，使人體翻轉(zhuǎn)的動能集中到腿上，而上體相對水面保持固定，形成手和上體入水時(shí)合速度的方向保持垂直向下，這樣可以簡化揉水技術(shù)，只要保持掌心垂直向下撞入水中即可，這種技術(shù)對訓(xùn)練時(shí)間不長的新手來說比較容易掌握。在跳水“壓水花”技術(shù)的實(shí)際訓(xùn)練中，對于下落速度占主導(dǎo)地位的動作，要更側(cè)重“撞水”技術(shù)的訓(xùn)練，而翻轉(zhuǎn)速度占主導(dǎo)地位的動作，要更側(cè)重“揉水”技術(shù)的訓(xùn)練。當(dāng)然，隨著跳水技術(shù)的不斷發(fā)展，動作難度越來越大，在高水平的比賽中，所有動作幾乎都是伴隨著高速翻轉(zhuǎn)的下落運(yùn)動。因而，更有效地壓低水花的方法就是撞、揉結(jié)合的“壓水花”技術(shù)的靈活運(yùn)用。只有把“撞水”技術(shù)和“揉水”技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，才能把水花控制在最小程度。5形成“水面”(1）跳水運(yùn)動員入水（人、水碰撞）過程中，其手、手臂或身體的一部