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月球上的輕功水上飄–2013搞笑諾貝爾物理學獎

電影《少林足球》截圖

六師弟,綽號「輕功水上飄」。來源:電影《少林足球》

武俠小說中,當一個人輕功練到極致,而作者又不想花太多時間取綽號時,就會給他「草上飛」或「水上飄」的稱號。意思是只要夠輕夠快,即便是草或水這種軟趴趴的東西,高手還是可以在其表面借力而行。

在輕功已失傳的現代,我們還是可於youtube網站上看到許多挑戰「水上飄」的影片。然而,除了摩根費里曼之外,這些水上飄都是借由預置的浮板暗樁或是在黏滯力高的非牛頓流體上達成的。

而在大自然中,講到水上飄,直覺想到的是水黽,然水黽僅藉著表面張力安安穩穩地踩在水面上,速度不快,只配類比日本忍術水蜘蛛之流的小把戲,不足以形容中華武學博大精深的輕功。真正能點水奔馳的動物,首推中南美洲的蛇怪蜥蜴(Basilisk lizard)

Basilisk lizard是真正的水上飄高手。Credit:Stephen Dalton/Solent News

Basilisk lizard是真正的水上飄高手。Credit:Stephen Dalton/Solent News

哈佛大學的生物學家曾在1996年仔細研究過蛇怪蜥蜴於水上跑步的原理,發現其腳掌拍擊水面時,會使水面凹陷出一個空穴(air cavity),腳踏空穴曲面所產生的反作用力可支撐體重;空穴持續的時間與腳掌面積的有效半徑之0.5次方成正比(Tcavity α Reff0.5),不久後,旁邊的水就會回填此凹陷,故需要快速換腳以維持力道與平衡。蛇怪蜥蜴的體重輕,頂多200公克、其腳掌大而平,增加拍擊水面的有效面積,還有一雙強健的腿,跑步的頻率高達每秒8步,故可達成「水上飄」的境界。以人類的體重而言,我們的肌肉力量需要再提高15倍,才有可能奔跑於水面上。

幾個在義大利的人類生理學家還是沒有放棄水上飄的夢,他們發現如果依蛇怪蜥蜴腿長與腳掌大小的比例,讓人類穿上面積0.1平方公尺的蹼掌蛙鞋,那麼僅需以每秒1.7步的頻率在水上跑,就可以在空穴回填前跨出下一步,這個步伐是一般人是可以達到的。然而,每次踏水產生的反作用力尚不足以支撐一般人的體重,人類想要水上飄還需要減重。在這些研究者眼中,最有效率的減重方式不是少吃澱粉多運動,而是把人移到重力場較小的環境。

經由他們的計算,只要處於重力場為地球的22%以下之環境,穿上蹼掌蛙鞋的人類就可能可以在水上奔跑;月球的重力為地球的16%,只要能跨出每秒1.7步的步伐,水面就可支撐73公斤重的人。研究團隊還找了六位體重66公斤的受測者,在他們的腰際綁上支撐體重的彈性繩以模擬10~25%的重力環境,然後讓受測者穿著蛙鞋學蛇怪蜥蜴的跑步方式在水池上奔跑並記錄身體重心等數據,發現減輕體重果然有效。

研究者進一步說明,處於真正的低重力環境,水上飄的成功率更會高,因為水面的空穴回填時間會延長,而且人體下肢的負擔也會減輕,讓更多的肌力可用於奔跑的動作。此外,這篇研究論文還說其實也不一定要去月球,人們也可以去木星的某些衛星上水上飄,因為那邊不但重力條件符合,其地表還有水份覆蓋。

此研究成果於2012年被發表在公共科學圖書館期刊(PLOS one)上,並於2013年獲得了搞笑諾貝爾物理獎的殊榮。以「人類如果到月球上去就可以在水上跑」為研究主題,拿搞笑諾貝爾獎可說是實至名歸。

參考資料:

  1. Winners of the Ig® Nobel Prize
  2. Size-Dependence Of Water-Running Ability in Basilisk Lizards," J. W. GLASHEEN, AND T. A. MCMAHON, The Journal of Experimental Biology 199, 2611–2618 (1996).
  3. Humans Running in Place on Water at Simulated Reduced Gravity,"Alberto E. Minetti1, Yuri P. Ivanenko, Germana Cappellini, Nadia Dominici, Francesco Lacquaniti, PLoS ONE, Volume 7, Issue 7, e37300 (2012).

本文轉載自作者部落格吳京的量子咖啡館

關於作者

吳京

正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」