投稿    搜索

揭开脚蹼之谜

2024-01-03    1994 浏览

揭开脚蹼之谜

脚蹼问题直接影响潜水员的疲劳程度和潜水乐趣。长期以来,人们对脚蹼的认识相当模糊,甚至连潜水教程上也是含糊其词,没有从原理上讲清楚各种脚蹼的特点,问题和使用方法。


本文力图从脚蹼的起源,物理学特性,改进的方法及方式,实际应用准则等几个方面讲解脚蹼相关问题。


脚蹼是仿生学产物


人类在长期水上运动实践中仿照鸭子的鸭蹼,青蛙的蛙蹼,鱼类的尾翅制造出了脚蹼。虽然脚蹼的出现大大提高了人类在水中行动的效率,但是人类仿制出的脚蹼跟动物的蹼翅比起来还有很大差距,其主要表现在以下2点上:


动物的蹼翅是身体的一部分,可以根据情况随意变换形状和姿态,因此人类制造的脚蹼其效率永远比不上动物的蹼翅。


水中动物对水的特性有着天生的感知和领悟,本能地掌握着最省力的方法和节奏使用他们的蹼翅,而人类却需要学习和训练才能用好脚蹼。


基于以上两点 我们逐步展开这个课题的讨论。


物体在水中运动遇到的三大阻力


水密度是空气密度的775倍,物体在水中遇到的阻力是在空气中遇到的阻力的1000倍,因此必须认真研究水阻问题才能找出选择和使用脚蹼的正确方法和答案。物体在水中向任何方向运动都要遇到以下三种阻力:


摩擦阻力(Frictional Resistance无论低速还是高速始终存在)


兴波阻力(Wave Making Resistance随速度增减而增减)


涡流阻力(Eddy Resistance随速度增减而增减)


这三种阻力的构成比例随运动速度而变化。比如一艘舰艇遇到的主要阻力在低速行驶的时候由摩擦阻力和涡流阻力构成,而在高速行驶的时候则由兴波阻力和涡流阻力构成。因此高速舰艇的船首设计成尖形,尾部设计成流线形,以减少兴波阻力和涡流阻力。


潜水员在水中实际上有2个运动方向,一个是潜水员自己的前进方向,另一个是脚蹼的踢动方向,在每个方向上都要遇到这三种阻力。现在我们重点分析脚蹼踢动方向上的阻力和动力构成情况。

揭开脚蹼之谜

Jetfin 是传统片式脚蹼的经典之作。这种脚蹼最早由法国Beuchat公司设计制造并于1962年4月25日首次注册了专利。在1964年-1965年期间,法国Beuchat公司把这项专利卖给了美国的SCUBAPRO公司,自此以后Jetfin 脚蹼在世界各地被广泛用于商业潜水和军事潜水,风靡近半个世纪而不衰,基本设计没有任何改变,至今仍在沿用。


我们以Jetfin为例,用最常见的上下踢法分析一下这种脚蹼在踢动过程中的阻力构成情况,动力作用方向以及动力面。


从外观上可以看出,Jetfin 脚蹼有一个宽大的蹼面,由厚向薄延伸。当脚蹼上下踢动的时候,沿运动方向的宽大正面将产生巨大的兴波阻力而沿运动方向的宽大背面则产生相应的涡流阻力。这两种阻力将消耗掉潜水员大部分体力。


从水流运动方向和反作用力来看,当脚蹼向下踢的时候,绝大部分的水流向下走,其反作用力跟水流方向成180°,既产生向上的推力,还有一小部分水流沿脚蹼翘起后沿向后排出,产生向前的推力。因此这种脚蹼的后沿部分可以称为边沿效应面或者叫动力面。


用简单明确的话来说就是潜水员的体力主要消耗在使脚蹼上下摆动的做工上,而在脚蹼上下摆动的过程中会产生一些向前的推力,这部分向前的推力虽然占的比例很小,但正是我们所需要的东西。


在实际应用中,新学员学习浮潜的经历最能说明这个问题。新学员漂浮在水面,上下踢动脚蹼的时候首先感到不是向前走而是脚向上漂,因此摆动的幅度很小走的很慢,只有昂首挺胸靠潜水员自身向前产生的兴波阻力克服脚蹼产生的向上推力之后才有可能加大摆动幅度,提高前进速度。 这就说明在上下摆动的时候,这种脚蹼产生的向上推力远远大于向前推力。


由以上分析可以看出使用像 Jetfin 这样的传统片式脚蹼体力消耗相当大,效率非常低,是名副其实“抽筋脚蹼”。既然这种脚蹼这么不好,但为什么能风靡近半个世纪,在商业潜水和军事潜水中得到如此广泛应用呢?


答案只有一个,这就是我们下面要讨论的踢法。

蛙踢 — 传统片式脚蹼的基本踢法


经常到国外潜水的人会注意到,国外的导潜和教练们在使用片式脚蹼的时侯踢法跟我们国内不一样,他们动作轻松,优美而缓慢但却始终遥遥领先,这就是蛙踢。

上一节我们分析了Jetfins 上下摆动时的情况。本节我们换一个方向,研究一下 Jetfins 向左右两侧分开然后夹合时的阻力和动力构成情况。


蛙踢并不是像青蛙一样踢水,而是把脚蹼按照大约40°角 向左右两侧分开然后夹合,这时发生的情况就跟上下摆动时完全不同了。首先脚蹼是沿左右两侧最窄的边沿运动,从而避免了宽大正面迎水而动所产生的兴波阻力和涡流阻力。另外按一定角度开合夹水实际就是把整个脚蹼面作为动力面,这样夹合时所产生的水流方向是向后的,其反作用力正好就是向前的推力。


蛙踢有效地消除了阻力面,加大了动力面,这样的踢法怎么能不轻松,效率怎么能不高呢? 正是由于这个原因,Jetfin 脚蹼受到专业潜水人士的青睐,一直沿用至今。事实上这些专业潜水人士个个都以自己漂亮的蛙踢动作为自豪。欣赏他们在水中轻松优美的遨游也确实是一种美好的享受。


虽然用蛙踢的方法在水下解决了阻力和动力问题,而且非常有效,但还是有不尽如人意的地方。问题出在水面,浮出水面以后,潜水员仰面踢回到船边或者岸边还是相当吃力的,因为这个时候蛙踢的效果并不好,上下踢动又要遇到巨大的兴波阻力和涡流阻力。


于是一种新型的分叉式脚蹼诞生了,下面我们来具体分析一下分叉式脚蹼的工作原理和特点。


分叉式脚蹼 — 本世纪初潜水装备的重要进步之一

揭开脚蹼之谜

图中实线部分为专利有效区,虚线部分为延伸示意段不受专利保护。


分叉式脚蹼由美国人Robert B. Evans 发明,并于1998年3月3日注册了专利,有效期14年,专利号码:US00D404456S。


分叉式脚蹼最明显的特征就是沿脚蹼的中线开了一条缝。这条缝一开完全改变了脚蹼在上下踢动时的阻力和动力构成。首先脚蹼在上下踢动的时候,由于有了这条缝就不再是以宽大正面迎水而动了,因此有效减小了兴波阻力和涡流阻力。另外这条中间开的逢延长了边沿线,加大了边沿效应面积,几乎把整个脚蹼面变成了动力面。


分叉式脚蹼做不到的就是向后退,但是后退机动在休闲潜水中意义不大,可以忽略不计。


无论是蛙踢还是分叉式脚蹼,其目的都是为了减小阻力加大推力。蛙踢是从踢法上解决这个问题,分叉式脚蹼是从硬件设计上解决这个问题,有异曲同工之妙。


分叉式脚蹼价格要比片式脚蹼高很多。近年来在分叉式脚蹼的刺激下各家公司不断加大脚蹼的研发力度,推出不少有创意的新式脚蹼。


选择脚蹼的基本准则


把原理搞清楚就有了选择脚蹼的基本准则。选择脚蹼首先要考虑的因素就是踢法:

习惯蛙踢的人和需要在狭小空间穿行的人最好使用蛙踢脚蹼。


把握住这个标准问题就不会太大。 潜水是知识性最强,装备依赖程度最高的运动项目之一。即使像脚蹼,面镜这样简单的装备也蕴含着很多道理,只有把这些道理搞懂弄通了,才能正确选择和使用潜水装备。


注:抗流问题对于脚蹼和踢法来说并不是特殊情况。功效高的踢法和脚蹼可以应付各种情况,错误的动作即使没有流也很费力,在逆流的情况下更是一种灾难。