真的有水上漂這樣的輕功嗎?看科學如何戳破謊言

2021-01-08 科學塢

估計很多跟我一樣的70後朋友們,都是讀著金庸和古龍的武俠小說長大的,即使沒讀過這些小說,《天龍八部》等武俠影視劇大家也都是看過的。除了那些盪氣迴腸的故事情節,最吸引我們的當然是那些大俠的輕功了。這裡不談能一躍十幾米高的輕功提縱術,咱們就從科學的角度,對一種叫做「水上漂」的輕功,進行一下相對嚴格的討論。

現代人是不是真有人能夠完成「輕功水上漂」這個誰也沒見過,但是,少林有達摩祖師一葦渡江的傳說,只是傳說中並沒有描述具體的渡江過程。中央電視臺10套的走進科學欄目,曾經報導過一個南少林的小和尚,練習「蹬萍度水」,當然了,他是通過踩踏漂浮在水面上的木板來實現在水面跑動一定的距離,並且也只能跑出15米。

那麼通過踩踏水中的一些輔助物的辦法,真的能讓人類實現「輕功水上漂」嗎?

在動物界,能夠實現水上漂的有不少,很多的小型昆蟲都擁有這樣的絕技,其中水黽(mǐn)就是水上漂的高手。這種小昆蟲的身長大約20毫米,在顯微鏡下,我們可以看到,它的腿上有多層微米尺寸的針狀剛毛,剛毛的表面還有螺旋狀的納米溝槽,這些結構內可以存儲空氣。由空氣形成的穩定的氣膜可以使得水黽不會沉到水底或者將自身打溼。

水黽腿的表面還可以分泌出一層蠟狀物質,這種物質可以使得水的表面張力變大。正是藉助著這樣的特殊結構和物質,水黽才能夠安然地站在水面上,並且能夠實現在水面的滑行,以及奔跑,甚至實現在水面上的跳躍。

另外一種能夠在水面上漂浮移動的動物就是很多的水鳥了,最常見的就是鴨子和鵝。

鴨子能漂在水面上的原因主要是因為鴨子的尾部有一個能分泌油脂的腺體。如果注意觀察,鴨子經常梳理自己的羽毛,其實就是用嘴把油脂塗在羽毛上。由於油脂的疏水作用,就使得鴨子不會被水打溼。同時,羽毛內縫隙中可以儲存大量的空氣,鴨子就像帶著一個救生圈一樣漂浮在水面上。至於它能在水裡來回遊動,就簡單了,那是蹼的作用。

只不過,鴨子在水中的運動效率可要比水黽差多了,因為鴨子要承受來自水波的興波阻力。人類很顯然不具備水黽和鴨子的特點,所以它們能夠在水上漂浮移動的原理,也不適用於人身上。

但是有另外一種動物,叫做蛇怪蜥蜴,這種生活在中美洲森林中的蜥蜴,其中小的大約2克、大的體重有200克左右(大約3~4枚雞蛋)具備一種特殊的本領,那就是,當它們遇到天敵時,能迅速跳到水面上,利用兩個後腿,從水面上一路逃開,動作跟人跑步差不多。

科學家們利用高速攝像機分析了蛇怪蜥蜴奔跑的動作,找到了它們能夠在水面疾馳的原理。原來,它們在奔跑的過程中,後腿先做上下拍擊運動,可以在腳的周圍形成許多起泡,這些起泡會產生一個支撐力,將它們的身體給託起來。

後腿的另外一個動作是扑打,通過扑打可以產生一個使身體前進的推力,於此同時,之前產生的起泡破碎會形成一股推力,完成前面兩個動作之後,它就立刻還原,後腿抬起脫離水面再回到下一個開始動作。蛇怪蜥蜴就是憑藉這三個連貫的動作,實現在水面上的疾馳入飛。

如果它的動作停下來,那麼蛇怪蜥蜴就會落入水中。事實上,科學家們看到的也是如此,蛇怪蜥蜴跳到水面上,跑出一段距離之後,通常是遊泳,從水的另一邊逃走。

如此看來,古人的「輕功水上漂」也是有一定的依據的,既然蛇怪蜥蜴都能用踩踏水面的辦法獲得支撐的力量,那麼人通過某種特殊的訓練手段,是不是也能具備同樣的能力,「蹬萍渡水」如履平地呢?為此,科學家們又進一步做了更深入的研究,得到了如下成果:

1、針對蛇怪蜥蜴的踏水飛奔的行為,利用高速攝像機捕捉到了畫面,發現了腳掌在氣穴封閉之前移出水面的時間關聯;

2、開展了圓盤低速入水實驗,獲得了氣穴閉合時間與圓盤半徑的函數關係;

3、通過對視頻圖像分析,處理獲得了蛇怪蜥蜴在踏水過程中重要的關節運動軌跡,並進行了流場分析;

4、結合剛體動力學、流體動力學和超空泡理論獲取了氣穴閉合深度的變化規律;

5、運用漸近線擴張方法進行了圓盤入水初期水動力的數學推導;

6、在前面的基礎上,進行了踏水平板單點軌跡擬合的防生結構設計;

7、設計了一種兩足水面行走機器人,並對不同結構參數和運動步態的水面行走機器人進行了對比分析。

通過前面的分析,我們可以得出這樣的結論,人類的科學家通過模擬蛇怪蜥蜴在水面上奔跑的動作,利用仿生學設計出來了能夠在水面上奔跑的機器人。下面我再根據這個機器人的數據,分析一下人類是否有可能在自身條件下,通過修煉某種「秘法」實現水面奔跑。

先來看一下科學家們的實驗情況。實驗中使用的是12×8釐米的長方形薄木板,這個面積大約相當於正常成年人一隻腳掌面積的一半。這個設定還是很符合實際情況的,因為,人在高速奔跑的時候,基本上都是前腳掌落地,這樣才能提高動作的頻率。

從中央10套《走近科學》欄目中那個小和尚的跑姿我能看到,為了提高步頻,他採用的是前腳掌踏下,如果我們再仔細看一下奧運會100米短跑比賽,也能發現這個同樣的特點。

再來看一下這塊木板入水時候的氣穴變化過程,如下圖,這張圖是木板以1m/s的恆入水時間,不同時刻上提所對應的流場環境。從這張圖我們可以看到,木片拍打水面之後,有氣穴產生並擴張,水向外側湧出,隨著木片的進一步下降,水流湧入,氣穴閉合,呈瓶頸式收縮。

在前面分析的基礎之上,科學家們用數值計算,得到了不同上提時間,木片從水面上5釐米處下落再回到初始位置的力學特徵曲線,如下圖,。在向下運動階段,平板在水面之上受到的空氣阻力接近於0,在50毫秒時拍打水面,產生託舉力脈衝;脈衝過後,木片下平面受到的靜壓力不斷增大,託舉力緩慢增加;當下降時間稍微大於氣穴閉合時間,氣穴封閉後,水流補入木片上側,木片上表面靜壓力增大,託舉力突降。

這裡不對具體的研究過程進行更多的介紹了,也知道大家不愛看,直接給出科學家們通過實驗得到的結論:F=3.45v^2+4.40v+2.02,F是木片在相同位置處所受到的託舉力,v是木片的入水速度。下圖是木片入水速度與託舉力之間的關係曲線。

我利用前面這個公式進行了一下估算,一個體重為60公斤的成年人,用踏水的方式來在水面上飛馳的話,其腳掌下踏的速度大約為170m/s。

我沒找到人類能達到的最高步頻到底是多少的數據,但是找到了,博爾特的步頻數據,其百米內41步,大約步頻是4.2,也就是說,博爾特跑百米的時候,其每秒鐘能跨出4.2步。格林是最典型的步頻式跑法,其最高步頻能夠達到5.42步/秒。

我們就來折中一下,以每秒5步的步頻,抬腿到腳壓下的距離為10釐米來計算,則目前世界頂級運動員用腳踏水的最高速度為0.5m/s。同樣,如果我們需要把腳掌下踏的速度提高到170m/s,以腳的運動距離為10釐米來計算,60公斤的人類的步頻需要達到1700步/秒,才能產生足夠的託舉力。

可能很多人都對1700步/秒沒有什麼概念,我舉個例子,中國的視頻標準是每秒25張畫面,美國的是每秒30張畫面,也就是說,以這個頻率移動的畫面,我們就已經分辨不出來停頓了。1700步/秒,我們看到的將是一片腳影……

全文總結

通過科學家們的實驗分析,可以得到下面的結論:第一、採用類似蛇怪蜥蜴「蹬萍渡水」的方法實現「輕功水上漂」是有一定的理論依據的,這一點,蛇怪蜥蜴已經為我們打了樣,不容質疑;第二、由於人類身體結構的限制,無法突破自身極限,從5步/秒,突破到1700步/秒的腿部動作,恐怕也不是任何「功法」能實現的吧?也許提高到10步/秒是有可能的,但是這有什麼用呢,還不是跟我一樣掉到水裡嗎?

所以,我得出的結論就是:「輕功水上漂」是不可能完成的修煉任務,也是不存在的。天下武功,唯快不破,但是究竟能夠做到多快,也要受到自然規律和人體極限的制約。對於踏水而行,我們就幻想一下就好,還是要踏踏實實地回到現實世界中來。

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