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.
2013搞笑诺奖一箩筐
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