錢江晚報·小時新聞記者陳素萍

“咚咚咚”的鑼鼓聲應接不暇，水上數艘龍舟快速前行，隊員們揮旗擊鼓、木漿齊劃，兩岸喝彩叫好之聲不絕……農曆五月端午賽龍舟，二月二龍抬頭也要賽龍舟，節日慶典大都可以見到龍舟競渡的場景。

划龍舟為什麼容易翻船？怎樣才能劃得更快？背後的這些物理知識，本期科學匯邀請了浙江工業大學理學院物理系副主任、呂斌博士，來為同學們答疑解惑。

東西穩不穩，主要有這幾個要素

“鼓聲三下紅旗開，兩龍躍出浮水來。”剛剛過去的端午節，杭州的同學們不知道有沒有去西溪觀看龍舟賽。同時，大家有沒有注意過，每年各地的龍舟賽現場，偶爾還會發生翻船的事情。

為什麼龍舟，以及和龍舟形狀類似的獨木舟、皮划艇這種形狀狹長的船，相比於其他的船而言，它們的側翻經常出現的？

其實，不管是龍舟還是獨木舟，它們總是側翻的原因主要只有一個：心不穩。

決定一個東西穩不穩的要素，大概有以下幾個：

第一是受力方向的支撐面。在大多數情況下，我們的所受的力都是重力，因此受力方向都是朝向地心的，因此我們在地面上支援面的大小決定了我們的穩定程度。舉個例子來說，輪滑的初學者都會覺得穿著輪滑鞋站立困難，這是因為鞋底的滑輪縮小了地面對人的支撐面積。

第二是重心的高度。如下圖所示，同樣支撐面積的物體A和B，由於A的重心高，在外力的干擾下，重心只需要轉動更小的角度β就可以偏離支撐點。所以降低重心可以提高穩定度。

第三是重力在支撐面方向的投影要包含在支撐面裡面，重心投影位置越中心，物體越穩。比如以為腿腳受傷的人單腳站立非常容易摔倒，但當拄了柺杖後，就好多了，這是因為柺杖增加了支撐點，使得重力的投影更容易落在腳和柺杖支點組成的支撐面內，因而更穩定。

還有一個要素，則物體的質量。質量越大的物體抗外界干擾的能力越強，因而也就越穩定。

當然，像龍舟這種浮在水面上的物體，一方面要考慮它的穩定性，另一方面還要考慮它的浮心、漂心、穩心等。

但需要說明的是，對於龍舟這種船，它的樣子可以說是大同小異的，因此浮心、漂心、穩心的區別不是很大，因而可以暫時不予考慮。

兩個時間點，龍舟容易側翻

說了很多，我們再來探討，龍舟為啥容易側翻？知道物體穩定需要的這些要素之後，我們就可以分析這個問題了。

首先，龍舟一般都是很狹長的，這就直接決定了它在水上的支撐面積比較小。龍舟上一般會有十幾名的船員來划船，這些船員的體重不可能一模一樣，質量的分佈不均勻，會導致重心偏離。因此，合理的分配船員的位置，使總體的重心落到龍舟支撐面的中心位置就很重要。

其次，由於龍舟和水接觸的支撐面比較小，在龍舟運動時，遇到不穩定的水流，或者比較大的波浪，很容易會讓重力的投影落到支撐面以外，這時側翻就是不可避免的了。

從以上分析我們可以分析得出，龍舟容易側翻的地方有兩個：一個就是剛開始船員上船的時候，站立入船的運動員重心較高，這時候如果不注意整體的重心分佈，很容易導致側翻；另一個就是龍舟運動時碰到波浪的地方，導致整體的重心投影到了支撐面以外，這個時候如果沒有高超的技巧去控制龍舟，龍舟也會很容易傾覆。

除了龍舟，對於獨木舟、皮划艇來說，情況也是類似的。不過，相比於龍舟，獨木舟、皮划艇一般都是由一到兩個人來操作，重心重新分配這個問題一般可以不用考慮。但同時，獨木舟、皮划艇的支撐面以及質量，和龍舟相比都小了不少，因此獨木舟、皮划艇相對來說並沒有更穩定，反而在遭遇波浪時更容易傾覆。

透過以上分析，同學們應該知道了，龍舟這種窄小的船體是很容易發生側翻的，因此大家在乘坐或者划龍舟時一定要穿救生衣，聽從專業人士的統一安排。

嘗試這麼做，龍舟跑得更快

我們知道，龍舟前進的唯一推進力就是用槳划水，水對槳的反作用力推動了龍舟的前進。

根據動量定理，龍舟的速度v和推進力F之間存在Ft=mv的關係，其中t是推進力作用的時間，m是龍舟和人的總質量。

為了提高船速，除了給龍舟自身減重，似乎還可以透過讓槳手們減肥來降低總質量，但畢竟“想讓槳手劃得好，還要槳手更苗條”的做法不太現實。實際上，要想讓龍舟儘快到達目的地，最直觀的做法就是增大推進力。為此，可以增大槳葉以增加槳和水之間的接觸面積，並增加划槳時的吃水深度。

然而，事實卻絕非僅僅增大推進力這麼簡單。細心的同學一定注意到，近年來，儘管火車和飛機都實現了大幅提速，但卻很少聽說船舶提速的事兒。這是因為物體周圍物質的密度越大，物體的運動阻力也就越大。火車和飛機都是在空氣中執行，而船卻是在密度為空氣800倍的水中執行，速度低就不足為奇了。

科學家們將船體所受的阻力分為摩擦阻力、興波阻力和漩渦阻力等，對於龍舟而言，最大的阻力是摩擦阻力，船體浸沒在水裡的面積越大、速度越快，摩擦阻力就越大。為了降低阻力，我們試著將龍舟的船體設計成光滑的流線型，並選用摩擦係數小的表面材料。

那麼，除了在船上想辦法，划槳技巧又該怎麼做呢？

賽龍舟中，槳手們的動作總是整齊劃一，稱為同步法，但這種司空見慣的划槳方法真的最合理嗎？要知道，當槳手們集體向前回槳時，龍舟就會因失去動力而減速，這種速度波動會造成能量的消耗。

科學家們透過理論估算髮現，如果每個槳手各自錯開划槳，稱為非同步法，使船始終保持勻速前進。科學家在划槳訓練機上對兩種划槳方式做了對比實驗，結果發現儘管非同步法每分鐘的划槳頻次比同步法略低，但槳手們的輸出功率卻基本相當。也就是說當槳手們輸出相同的能量時，採用非同步法可以使船獲得更多能量，因而能有效提高平均速度，縮短競賽時間。

上述兩種划槳的方法類似跳和走。跳時，兩隻腳同步；走時，兩隻腳配合依次向前。同學們也能感覺到平時走路比跳躍更加穩定。

不過，非同步法也有硬傷。在提高龍舟平均速度的同時，它對槳手們的技巧和配合也提出了很高要求，而且由於龍舟重心高、槳手間距離小，一著不慎就很容易導致前後槳碰撞。

或許，換個划槳方式，在清一色動作整齊一致的划槳人中，唯獨你和同伴們動作錯落有致，還能一馬當先，何等的酷炫！當然，前提是要掌握好技巧，不要碰撞翻船哦。

考考你：

神奇的重心

上圖是由小木板（乒乓球拍）和榔頭為主組成的物體。用繩子將他們如圖所示綁在一起，並放在桌子邊沿處。可以看到球拍只是有一小塊搭在桌子上。球拍和榔頭大部分是落在桌子外的，而且為了誇張的效果，在球拍離桌子最遠端還放了一個糖罐子。那為什麼球拍和榔頭不會從桌子上掉下來？

答案：

先忽略糖罐子的重力，只考慮球拍和榔頭。球拍質量大致均勻分佈，重心基本在拍面上，榔頭的質量主要在鐵塊上，所以重心在鐵塊端。由於榔頭鐵塊的質量遠大於球拍質量，所以總重心會更加靠近榔頭鐵塊。如下圖所示，當總重心在桌子的邊沿內時，球拍和榔頭組成的物體就不會掉下來。

加一個質量很小的糖罐子基本不改變總重心的位置，但是起到了視覺上的誇張效果，即物體的大部分體積都落在桌子外，但物體卻不會掉下來，就是因為重量其實集中在桌子內。