【科普花园】你知道无动力水翼板是如何工作的吗？
当你在一些景区游玩时，是否见过这样一幅画面：一名水上运动者站在一块奇特的类似于冲浪板的板面上，以极其平稳的姿态在水面上快速地“飞行”。如果你再细致地观察，还会发现：这个板面是完全脱离水面的，只有一根细长的杆子插入水中，看起来就像是悬浮在水面之上。这个神奇的运动装备正是近年来大受欢迎的“无动力水翼板”。
图1 使用无动力水翼板的水上运动者（视频来源：[1]）
所谓的“无动力水翼板”，是指一种不依赖电机、马达或螺旋桨等机械驱动装置，而主要借助水流、波浪等自然界作用及使用者自身动作实现推进的水上运动器械。因其特殊结构，使用者能够在极低水阻下实现高速滑行。从“无动力”这一特征来看，传统冲浪板也属于无动力器械，但其推进必须借助于波浪的作用力，而水翼板则可在无浪的平静水域（如湖面）滑行。那么，无动力水翼板究竟是如何实现这一点的呢？在回答这个问题之前，我们先来了解水翼板的基本结构组成。
水翼板的结构组成
典型的无动力水翼板由几个基本部分构成：板面、桅杆和水翼。板面（或称“面板”）就是人站立的平台，看起来类似普通冲浪板或滑板。桅杆则是垂直安装在板面下方的直杆，其作用是将板面与水翼连接，并提供足够的“离水”高度。最关键的部分是安装在桅杆底端的水翼，它由一个较大的前翼和一个较小的后翼组成。前翼产生主要升力，后翼则用于稳定与操控整个系统。
图2无动力水翼板的结构（图片来源：参考文献[2]）
在实际应用中，水翼的形状、材质、面积等参数对性能影响巨大。不同用途的无动力水翼板（例如，水上自行车、滑水板、风筝冲浪板等）在水翼设计上差异明显，但都遵循相同的升力原理。如今许多厂商利用碳纤维等轻质高强材料制造水翼，不仅坚固耐用，而且大幅减轻了整体重量，进一步提升了运动效率。
借鉴飞机翅膀原理的水翼
水翼板的核心技术基于一个广为人知的流体力学原理：升力产生的机制。水翼的外形与飞机机翼极为相似，二者的差异在于它们的工作环境：前者是水，而后者是空气。当水翼板在水中滑行时，水流经过水翼的上下表面，由于翼型的特殊弯曲设计，水流在上表面的流速会比下表面流速更快。根据伯努利原理，流速越快压强越小，这就导致水翼上方压强低、下方压强高，形成了一个向上的升力。由于水的密度远大于空气，因此水翼可以在较小的相对速度下产生足够大的升力。
（其中的箭头长度表示翼面与周围环境的压力差值，箭头向外表示负压）
（c）表面环流（circulation）及旋涡（vortex）
（d）流线图示
图3 水翼周围流场特性示意（图片来源：参考文献[3]）
这一升力来源不仅可以用伯努利原理的压强差概念来解释，还可从动量守恒的角度来理解。水翼在前进过程中，会改变周围水流的运动方向。具体而言，当水翼在零攻角状态下工作时，上表面的水流在越过顶点后会向下方偏转。如图3(b)所示，水流动量发生了一个变化ΔM i，这是水翼的作用力所导致的。根据牛顿第三定律，水流受到向下的作用力的同时，会给予水翼一个等同大小的反向上推力，也即升力。不难理解，当水翼以一个向上的攻角前行时，这个上推力（升力）会相应地增加。当然，水翼并不依赖于有攻角状态才能使面板离开水面。在大多数情况下，水翼是以零攻角的状态工作的，其升力由其固定翼型形状和流速条件决定。
当水翼产生的升力大到足以抵消整块板及运动者的重量之和时，水翼板的板面便会被托举至水面之上。在面板脱离水体之后，仅水翼和桅杆部分与水接触，水阻显著减小。由于阻力降低，维持滑行所需的能量大幅减少，因此运动者可以用极小的体能维持高速、稳定的滑行状态。
水翼板的面板为什么要离开水面？
许多人初次看到无动力水翼板滑行时都会产生疑问：为什么要让面板离开水面，而不是像传统冲浪板那样直接在水面上滑行？答案在于前面提到的两个字——“阻力”。
在水面运动中，能量损耗的主要来源是板体与水体之间的摩擦阻力以及水面波动引起的波浪阻力（简称“波阻”）。所谓“波阻”，是指物体在水面上滑行时，会在周围激起水波（或者称之为“涟漪”）。这些水波的形成需要消耗能量，相当于一部分推进力被“用来造波”了，因此表现为阻力。
至于前面提到的“水阻”，则是对物体在水中运动时受到的各种阻力的总称，其中包括摩擦阻力、压差阻力以及波浪阻力等多个分量。也就是说，波阻是水阻的一种组成部分。对于贴着水面滑行的传统冲浪板来说，随着速度增加，既会因为与水体接触面积大而导致摩擦阻力增大，又会因为在水面上“造波”更剧烈而使波浪阻力急剧上升。相比之下，水翼板在滑行时，整个面板被托起离开水面，仅靠水下的流线型水翼以及细长的桅杆与水体接触，大大减少了摩擦面积和造波效应，从而显著降低了总体水阻。
图4水翼板的面板是离开水面的（图片来源：参考文献[4]）
总之，一旦借助水翼实现“脱水”之后，整块面板就高于水面，无动力水翼板只通过一根桅杆以及水翼与水体接触，所受到的水体阻力大大减少。同时，由于板面升高，波浪对滑行的干扰也明显减弱。这使得水翼板在速度、稳定性、操控性等方面都比传统冲浪板具有更优表现。即使在波浪不明显的湖泊、河流中，只要运动者掌握正确的姿势与节奏，便能轻松起飞并维持滑行状态。
无动力水翼板真的“无动力”吗？
在解释“无动力”之前，我们必须先弄清楚一个更基础的问题——水翼板的前进动力从哪里来？因为空气对面板的阻力以及水体对桅杆和水翼的阻力，总是存在的，运动者的初始速度可以使水翼板依靠惯性完成一小段滑行，但阻力的作用最终总会使之停止下来。所以必须有外部能量的输入才能保持长距离的滑行。事实上，无动力水翼板并非“没有动力”，它只是没有外部机械动力而已。它的前进是依靠三种形式的能量输入：自然水流、波浪推力与运动者人力。
第一种情况是水流驱动。当水翼板置于有一定流速的河流或潮汐水域时，像任何一个置于流水中的物体一样，会被水流推动，这也可以成为无动力水翼板顺流前行的动力。但是如果只是被动地被水流带走，一般情况下，水翼和流水之间没有相对运动，那么就不可能产生升力，面板便不能升离水面。此时，为了产生升力必须使得水翼与水流之间有一定的相对速度。具体而言，如若水翼板的前行速度小于水流速度，要求前翼的钝头部分取逆水流方向；而当水翼板的前行速度大于水流速度时，则要求前翼的钝头部分取顺水流方向。这样，升力与推进力就可以同时存在。
第二种情况是波浪推力驱动。在水体环境中存在有天然形成的波浪时，浪峰与浪谷的流体速度差会提供周期性的推力，使水翼板顺势滑行。传统冲浪板依赖的正是这一机制。但是，对于“无浪玩法”（如平静湖泊），这种动力来源便不复存在，可以忽略之。
第三种情况，也是最关键的一种，是人力驱动。这便是“泵动水翼”（Pump Foil）所利用的原理。运动者通过上下起伏的踩踏动作使得水翼像桨叶那样前后摆动，从而产生前向滑行的推力。而且，泵动水翼在前行时，往往是有攻角工况，可以产生较大的升力，从而保持面板的脱水状态。这种“人力泵动”相当于把重心变化的机械能转化为推进功，使水翼板即使在静水中也能持续前行。
总之，所谓的“无动力”，其实只是“不依赖外部机械驱动”，而非真正意义上的“无推力”。无动力水翼板不是“永动机”。
图5泵动水翼板（Pump Foil）动作示范（图片来源：参考文献[2]）
综上所述，滑行无动力水翼板是一项将物理原理与人类运动学完美结合的水上运动项目。它没有复杂的电控系统，也无需任何化石能源，只是借助自然和人工之力，悄然滑行在水面之上。它不仅展现了流体力学的奇妙魅力，也提醒我们：有时候，最高效的交通工具，或许并不是最强大的机器。
参考文献
[1]https://mp.weixin.qq.com/s/Dxq5HlGDQIxV7fOgXs4z8Q
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/v_K0WAxAMCIN5HPFPA7OIA
[3]https://web.mit.edu/2.972/www/reports/hydrofoil/hydrofoil.html
[4]https://mp.weixin.qq.com/s/TUVvyOAsCm-0YeHBmUrvJg
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