速度够快就能水上漂?

水上漂”绝技似乎只存在于武侠中，现实中人类无法在水面上奔跑。但大自然中却不乏擅长此技的动物，其中双冠蜥尤其精于此道。 双冠蜥之所以能“水上漂”，主要得益于它们体重较轻、脚掌面积较大，以及能够快速蹬水（每秒 8 次）的强劲后肢。人为何不能像双冠蜥一样在水面上奔跑呢？ 研究表明，对于普通人，双腿大约需要以 30 m/s 的速度蹬水才有可能“水上漂”，这需要人类肌肉力量增长为现在的 15 倍。 尽管人类自身无法实现“水上漂”，但却设计出了很多“水上漂”的运动项目，滑水就是其中最常见的运动项目之一。 在滑水运动中，运动员通常会穿戴专用的滑板。滑板在水面滑行速度必须超过一定值才能托起人的体重，这需要借助外部动力的牵引（如汽艇）。外部的牵引通常能使滑板的滑水速度超过每小时 30-40 公里。这种滑行速度下，即使突然失去牵引，平衡能力较好的运动员也能靠惯性继续滑行一段较长的距离。实际上，只要速度足够快，运动员脚下即使没有滑板也能水上漂。 是不是只要速度够快，什么东西都能水上漂，摩托车可以吗？美国著名的科普电视节目《流言终结者》中就曾做过摩托车能否滑水的测试实验[2]。节目主持人杰米和亚当找来了摩托车特技选手来进行实验，特技选手骑着摩托车从陆地加速驶入湖面，很轻松就穿过了 15 m 和 30 m 的湖面。高速摄像机显示，摩托车确实是贴着水面行驶的。摩托车在穿越水面时，车轮有几次弹跳现象。 实验已经证实：高速行驶的摩托车确实可以在水面行驶一段距离。但摩托车为什么能在水面上行驶，摩托车在水面上是如何运动，如何才能在水面上行驶出更大的距离？ 摩托车之所以能在水面上行驶，其实原理和滑水运动中的滑板差不多。接下来本文先分析滑水运动中滑板的受力，然后在此基础上再分析摩托车滑水时车轮的受力，并由受力分析导出摩托车滑水的运动方程。最后再通过量纲分析尝试寻找水面最大行驶距离与各参数的关系。 滑板模型 滑水运动和放风筝的原理类似，风筝能飞上天空是靠着风筝面有一个倾斜角度迎着风。这个适当的“迎风角”，使风力形成往上飞的升力。只不过光有风力还不够，要想成功地让风筝飞上天，还须要有拉风筝的线。只要接线的位置恰当，可以让升力等于风筝本身的重力达到静力平衡，风筝自然就能徜徉在蓝天之中。 在车轮模型中，我们最终得到了水对车轮的作用力。水对车轮作用力的水平分量与车轮的水平速度方向相反，水会阻碍车轮的运动，使其运动速度减小。水对车轮作用力的竖直分量为摩托车提供了一个向上的托举力。如果速度足够大，该托举力是有可能超过摩托车及人受到的重力的，使车轮在水面上发生弹跳。忽略空气阻力的影响，车轮发生弹跳并脱离水面时只受重力。由于我们重点关注的是车轮完全或大部分在水面以上时的运动，因此忽略浮力的影响。同时车轮在竖直方向的速度相比于水平方向很小，我们忽略由于竖直方向上的运动导致的水对车轮的作用力。