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【2013搞笑诺奖】物理学奖:“铁掌水上飘”并非浪得虚名?

人类能够在水面上奔跑吗?铁掌水上飘是怎样练成的

Steed 发表于  2013-09-13 10:37

想成为功夫片里的大侠,踩着水面飞奔吗?你真的可以做到——如果你在月球上的话!图片来源:miramax.com

2013年的搞笑诺贝尔奖(Ig Nobel)今天公布,其中物理学奖颁给了意大利科学家阿尔伯托·米内蒂(Alberto Minetti)、尤里·伊万年科(Yuri Ivanenko)、吉尼那·卡佩里尼(Germana Cappellini)、纳迪亚·多米尼西(Nadia Dominici)和弗朗西斯科·拉夸尼蒂(Francesco Lacquaniti),因为他们发现,一部分人有能力在池塘的水面上飞奔而不沉下去——前提是,如果这些人和那个池塘在月球上的话。

在水面上飞奔是只有少数动物能够完成的一项绝活。事实上,大部分能够成功完成这一“壮举”的生物都是水黾科昆虫,它们利用表面张力漂浮在水面上,支撑自己轻盈的体重。但是,由于表面张力与周长成正比,而体重与体积成正比(差不多与周长的立方成正比),所以表面张力无法承载更大的动物。

大一些的动物采用另一种策略避免自己沉入水中,那就是奔跑:它们用充沛的体能踩击水面,产生水动力(hydrodynamic force),反作用于腿部,以支撑它们的体重。双冠蜥就是具备这种能力的典型代表,它们通过超快速踩水(每秒8次),能够在水面上奔跑。北美在求偶时也会高速踩水,每秒达到7次,最远可以在水面上飞奔超过20米——而它们的体重,可以达到1.5千克。

双冠蜥通过超快速踩水(每秒8次),能够在水面上奔跑。图片来源:PLoS ONE

在各类武侠片里,大侠们借助轻功能够轻易在水面上打斗。但现实生活中,科学家通过研究双冠蜥在水面上奔跑的行为,计算得出了一个毫不出奇的答案:我们太重太弱,无法在水面上奔跑。按照估算,水动力不可能承载起我们的体重,除非我们能以超过30米/秒的速度踩击水面——这个速度需要的肌肉力量是普通人的大约15倍。

一种方式可以稍稍绕开这一限制,那就是增大脚掌的面积——或者说,穿着巨大的鞋子或者脚蹼来奔跑。不过,有科学家计算过,就算一个人的体力非常好,踩水的速度非常快,能够达到10米/秒,他要在水面上飞奔,脚掌(鞋底)面积也必须达到1平方米才行。

于是,意大利的那帮物理学家就想到了另一个点——减轻体重。当然,他们不是在提倡减肥,而是假设在更小的重力环境下来研究这个问题。确切地说,他们研究的是:穿着相对较小的脚蹼(不到0.1平方米),在较弱的重力环境下(大约是地球重力的20%),特定的踩水动作能否让水面支撑起人体的重量。至于为什么要这么做,他们在论文中给出了回答:“据我们所知,以前还没有人在这样的重力环境下测试过,人到底能不能在水面上奔跑。”

他们在研究中采用了理论与实践相结合的办法。尽管人类和蜥蜴不论是体形还是体态都大相径庭,他们还是把前人研究双冠蜥时发展出来的水动力模型,套用到了人类身上。除此之外,他们还设计了一套实验装置,让自愿者在模拟出来的不同的弱重力环境下踩水。通过这两种方式,他们找出了让人能够像双冠蜥和北美那样在水面上飞奔所必须的踩水频率、重力大小和质量的正确组合。

那些意大利科学家还设计了一套实验装置,让自愿者在模拟出来的不同的弱重力环境下踩水。图片来源:PLoS ONE

当人体质量为66千克,脚掌(脚蹼)长度为0.17米,踩水速度为2.504米/秒,每次踩水持续时间0.295秒时,他们的模型预言,低于0.22倍地球重力加速度的环境中,人就有可能在水上跑起来。踩水速度和踩水持续时间的数据,是他们在实验中获取的,这是人类在地球环境下体能足以维持的数值。他们的模型还表明,在月球重力环境下(0.16倍地球重力加速度),每秒踩水1.7次的话,能够在水面上奔跑的人,体重不能超过73千克,否则还是会沉下去。

接下来,轮到人体实验华丽登场了!他们的实验表明,人能够在水面上跑起来的最高重力加速度,大约是0.22倍地球重力加速度。在不到0.1倍地球重力加速度的环境中,所有自愿者都能够“水上飘”。重力加速度越大,就会有越多的人沉到水里。他们在实验中还发现,自愿者选择的踩水频率和踩水速度与重力环境无关。所以就算真的到了月球上,人类可能也会以同样的方式踩水。

这项研究到底有什么意义呢?当然不是为了到月亮上去玩“水上飘”。这些意大利科学家在论文中写道,“这些问题涉及比较生理学。”这一点倒是很显然,因为他们把蜥蜴模型套用到了人类身上。“除此之外,对水面上这种运动模式的重组和适应,或许有助于设计制造仿生机器人,也有助于寻找新的运动技能。”好吧,这就有些让人挠头了。

或许,要等到人类重返月球的时候,这项研究才能够有真正的实用价值吧。

参考文献

  • "Humans Running in Place on Water at Simulated Reduced Gravity," Alberto E. Minetti, Yuri P. Ivanenko, Germana Cappellini, Nadia Dominici, Francesco Lacquaniti, PLoS ONE, vol. 7, no. 7, 2012, e37300.


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热门评论

  • 2013-09-13 11:13 wuou 果壳网副主编

    每次看双冠蜥踏过水面,都觉得它们一本正经的表情好喜感!

    [12] 评论

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全部评论(37)
  • 1楼
    2013-09-13 10:52 吴铭适梦见电子羊

    杀!

    [0] 评论
  • 2楼
    2013-09-13 10:52 任星

    沙发?

    [0] 评论
  • 3楼
    2013-09-13 10:53 CrB

    想起之前那个,可以考虑在什么Hg啊Br2啊什么液体里面考虑情形……

    [2] 评论
  • 4楼
    2013-09-13 10:53 0xff_

    2楼挡住我视线了

    [0] 评论
  • 5楼
    2013-09-13 10:58 任星

    有意思!很喜欢果壳网列出科学的依据,做实验神马的。(功夫片里都是骗人的)

    [0] 评论
  • 6楼
    2013-09-13 11:13 wuou 果壳网副主编

    每次看双冠蜥踏过水面,都觉得它们一本正经的表情好喜感!

    [12] 评论
  • 7楼
    2013-09-13 11:37 davexu

    重返月球也没用啊,月球上的水不够踩的……

    [2] 评论
  • 8楼
    2013-09-13 11:45 卡卡丨薛凝霜

    踩水速度为2.504米/秒 难道踩水速度不该是多少次每秒吗(⊙_⊙)?

    [0] 评论
  • 9楼
    2013-09-13 12:44 某朗兄的黑暗料理
    引用@CrB 的话:想起之前那个,可以考虑在什么Hg啊Br2啊什么液体里面考虑情形……

    流言终结者里有一集用了大量的玉米淀粉放水里后,大叔在上面跑起来了=_=.

    [0] 评论
  • 10楼
    2013-09-13 12:59 walle178

    来自果壳精选

    [0] 评论
  • 11楼
    2013-09-13 13:01 毛骡 金属材料学博士

    奔跑在水银之上……

    [0] 评论
  • 12楼
    2013-09-13 13:08 _qad_

    流言终结者有一集就是(在地球上)试验水上漂的,一如既往地坑爹。。。

    [0] 评论
  • 13楼
    2013-09-13 13:23 Ryne_exp618

    在地球环境下怎么模仿低重力的?

    [0] 评论
  • 14楼
    2013-09-13 15:58 柏拉图的沉思


    娱乐节目的一类~~

    [0] 评论
  • 15楼
    2013-09-14 08:46 ymir000

    我想知道那两个奇葩得完全搜不到的字()是怎么回事……

    [0] 评论
  • 16楼
    2013-09-14 09:22 那伽_Mel
    引用@ymir000 的话:我想知道那两个奇葩得完全搜不到的字()是怎么回事……

    我也搜不到,全是什么6867……但是我一个同事搜出了很多相关内容……

    [1] 评论
  • 17楼
    2013-09-14 10:48 爱抚

    这个模拟弱重力装置太高科技了,我看了半天没看明白怎么模拟的,然后忽然想到那个带子不是"帮助固定"的含义..

    [1] 评论
  • 18楼
    2013-09-14 13:10 ymir000
    引用@那伽_Mel 的话:我也搜不到,全是什么6867……但是我一个同事搜出了很多相关内容……

    好吧,我又试了下,百度结果好于谷歌,有道结果好于百度……

    [0] 评论
  • 19楼
    2013-09-14 14:53 Lumia9 [0] 评论
  • 20楼
    2013-09-14 15:38 冰红茶

    其实水上飘的秘诀在于水下木板的长度,长度越远就“飘得”越远

    [0] 评论
  • 21楼
    2013-09-14 17:19 starry星
    引用@蓑雨吟 的话:国外有水上漂的狂人,来鉴定一下真伪吧。。

    流言终结者已经终结了这个视频。。。。

    [0] 评论
  • 22楼
    2013-09-14 17:22 chnorz
    引用@starry星 的话:流言终结者已经终结了这个视频。。。。

    求链接、、

    [0] 评论
  • 23楼
    2013-09-14 17:22 蓑雨吟
    引用@starry星 的话:流言终结者已经终结了这个视频。。。。

    证实 or 粉碎?

    [0] 评论
  • 24楼
    2013-09-14 17:49 starry星
    引用@蓑雨吟 的话:证实 or 粉碎?

    我说了啊,终结了,busted。;
    点击访问视频

    [1] 评论
  • 25楼
    2013-09-14 17:49 starry星
    引用@chnorz 的话:求链接、、

    已链

    [0] 评论
  • 26楼
    2013-09-14 19:20 顧少卿

    人类可以借助冲浪板什么的在水上漂。

    [0] 评论
  • 27楼
    2013-09-14 23:08 杰良JACK
    引用@exp618 的话:在地球环境下怎么模仿低重力的?

    看上面的图片就知道,把人用吊带吊起来。以某个低于体重的恒定的力。

    [0] 评论
  • 28楼
    2013-09-15 00:02 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手

    我比较好奇那个模拟实验是在什么环境下做的?下落的飞机中?

    [0] 评论
  • 29楼
    2013-09-15 02:00 Hawke翱翔天宇

    所以轻功实际上才是中国武侠的基础啊,不管是飞檐走壁,一跳十尺,凌波微步,无伤坠落,乃至自己挨拳被打飞而降低伤害等等技巧,都是以降低自身的质量而做到的。

    [0] 评论
  • 30楼
    2013-09-15 08:11 莫俊宏 超声波无损检测员

    水动力不可能承载起我们的体重,除非我们能以超过30米/秒的速度踩击水面...
    这意味时速超过108公里,哎!搞笑诺贝尔这类文章槽点异常多,发出来就是为了给大家笑一笑,然后激烈地吐槽的吧。

    [0] 评论

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