人可以在水上行走吗?铁掌水上漂是真的?
几个世纪以来,人类一直幻想着能在水面上行走。在十五世纪,达芬奇画了一双浮筒式鞋子;1988年,法国表演者雷米•布里卡(Remy Bricka)穿着一双浮动滑水板穿过大西洋。
在自然界中,有超过1,200种动物可以在水面上行走,也许从中我们能获得启发。诸如昆虫和蜘蛛等较小的动物,利用水的表面张力以支撑它们的重量,使它们能在水面上行走。
水的表面张力是怎么回事?
在水中,每个水分子周围都紧挨着其他水分子,此时水分子之间总体是趋于互相排斥。而在水面上的水分子,在其之上没有其他水分子,水分子的分布较为稀疏,所以它们之间往往更倾向于互相吸引,形成一层薄状层,就像一层薄薄的橡皮膜。通过把针、硬币或回形针浮在水面上,就可以很好地看到表面张力在起作用。
然而,水的表面张力太弱,不足以支撑重量较大的动物在水上行走,比如蛇怪蜥蜴,它们是通过脚快速拍打水面而产生浮力来实现在水面上奔跑。当然,对于人类而言,水的表面张力更是微不足道。
蛇怪蜥蜴水上漂
尽管如此,根据2006年《流体力学年度综述》(Annual Review of Fluid Dynamics)杂志上的一篇论文,人类也可以像蛇怪蜥蜴一样水上漂,只不过这个速度要达到108公里每小时(30米每秒),这个速度几乎和猎豹一样快。人类最快的速度是由博尔特在2009年的百米冲刺中创造的,平均速度为37.8公里/小时,这与水上漂的速度相去甚远。事实上,完成这个壮举所需的能量大约是人体能够消耗能量的15倍。
然而,人体的极限并没有阻止我们的梦想。在过去的40年中,有关水上运动设备的专利就超过了50个。
因此,尽管我们不能自己走在水面上,但我们可以借助工具。根据麻省理工学院(MIT)应用数学家约翰•布什(John Bush)的说法,这些设备有两种方式可以增加浮力,也可以使用一种称为动升力的力量。
黾蝽
大多数获得专利的设备都是增加浮力,并且是达芬奇描绘的经典漂浮滑水板设计。有些人还加了绳子,以使水上步行者的腿不会分开;或者加了铰链舵用于转向和稳定。绝大对数的这些水上运动装置使用了质量轻浮力大的材料,如泡沫聚苯乙烯。
另一方面,使用动力升的装置需要一个作用于人体的外力。数学家解释道,这需要一个平行于水面方向来拉动身体的力,固定翼飞机就是使用了这一原理。当摩托艇拉着一个人沿水面滑行时,如果足部的角度合适,流过脚部的水将能有效地施加一个向上的力,把人托举在水面上,实现赤脚滑水。