星星是如何打水漂的

錢磊　郭亮

大家一定都玩過打水漂吧？能夠打個(gè)漂亮的多次水漂是一件非常令人興奮的事。但是你知道嗎，除了石頭，導(dǎo)彈、載人航天器返回艙甚至是外太空的星星也會(huì)打水漂呢！今天就讓我們一探究竟。

打水漂是一個(gè)非常嚴(yán)肅的科學(xué)問題

很多人都玩過打水漂的游戲，技巧是在水邊選一塊扁平且重量適中的石頭，然后側(cè)向水面加一些旋轉(zhuǎn)丟出去，石頭就會(huì)在水上一跳一跳地躍向遠(yuǎn)方。如果技術(shù)夠好，使用雪茄形狀的石頭也可以打出水漂。據(jù)說打水漂的世界紀(jì)錄是跳躍91次。

那么為什么沉下去的石頭，會(huì)再次跳上來？這其實(shí)是一個(gè)比較復(fù)雜的力學(xué)問題。在打水漂時(shí)，石頭的速度很快，所以與石頭接觸的那層水會(huì)獲得很高的速度。按照流體力學(xué)中的伯努利定律，流體的速度愈大，壓強(qiáng)愈小。所以，貼著石頭的那層水速度很快，壓強(qiáng)較低，但是更下層的水幾乎是靜止的，所以壓強(qiáng)較大。這個(gè)壓力差就會(huì)推動(dòng)這層水向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)石頭跳起來。

當(dāng)然，石頭的形狀、重量、姿態(tài)、入水角度、初速度、旋轉(zhuǎn)等因素都會(huì)影響打水漂的效果，法國(guó)的物理學(xué)家利達(dá)瑞·柏奎和克里斯托弗·克蘭尼等就對(duì)打水漂做了很深入的研究，他們用一個(gè)半徑為R，厚度為h的鋁制圓盤模擬石頭（如石塊打水漂的力學(xué)模型分析圖），這個(gè)石頭自身的姿態(tài)角（攻角）為α，而石頭與水面接觸時(shí)的瞬時(shí)速度方向與水平方向的夾角為β、石頭旋轉(zhuǎn)的角速度為Ω、石頭的速度矢量為U。通過改變速度和姿態(tài)等參數(shù)，利用多次實(shí)驗(yàn)得到了能否成功打水漂的結(jié)論。在石頭的速度為3.5米/秒，入水角度大于55度時(shí)，就無法打水漂了，而當(dāng)入水角度在20度左右，將獲得最佳彈跳效果。

二戰(zhàn)期間，英國(guó)著名發(fā)明家巴恩斯·沃利斯在對(duì)打水漂進(jìn)行深入研究后，發(fā)明了著名的跳彈。當(dāng)時(shí)的英軍要炸毀德軍非常重要的3座大壩，而德軍為防止英軍空投魚雷，早已提前在水里布置了大量的魚雷網(wǎng)。沃利斯利用打水漂的原理，經(jīng)過精確計(jì)算，研究出了飛機(jī)的速度、高度，參考炸彈的重量等參數(shù)，制成的跳彈可以像石頭一樣在水面上跳躍，最終突破了德軍的水下魚雷防御網(wǎng)，成功炸毀了目標(biāo)。

小行星也喜歡在太空中打水漂

在一定條件下，地球的大氣層也可以作為“水面”，讓飛行器和一些小天體實(shí)現(xiàn)“太空水漂”。中國(guó)的探月工程返回艙，就是通過打水漂的方式實(shí)現(xiàn)降速進(jìn)入大氣層的。大氣層從太空到地面是由稀到稠的漸變，也可以看作一個(gè)類似水面的流體界面。由于返回艙的速度非常快，如果垂直于界面進(jìn)入大氣，飛行器可能會(huì)由于摩擦發(fā)熱而燒毀。而如果返回時(shí)與大氣界面的夾角過小，就相當(dāng)于在大氣上打水漂，有可能無法落地，最終跳出地球范圍。為了讓返回艙能夠既通過打水漂減速，又不被彈走，就需要科學(xué)家們進(jìn)行精密的計(jì)算和設(shè)計(jì)了。

太空里充滿了石塊和冰塊，有些是早期太陽系形成時(shí)剩下來的小行星、彗星，有些是小行星撞擊行星，濺射產(chǎn)生的石塊。這些石塊時(shí)不時(shí)會(huì)向地球飛來，很多時(shí)候擦肩而過，而有時(shí)候也會(huì)落入地球大氣，形成流星;沒有完全燒毀.的石塊則會(huì)落到地面成為隕石。除了這兩種情況，這些太空石塊也有可能進(jìn)入地球大氣上層，又被彈回太空，就像在地球大氣中打了個(gè)“水漂”。類比掠過水面的石塊和再入大氣層的飛行器，要實(shí)現(xiàn)這種小行星的“太空水漂”，同樣要滿足一定條件。

小行星形狀通常不規(guī)則，有啞鈴形、雪茄形。由于YORP效應(yīng)（由于小行星的形狀不規(guī)則，恒星的輻射導(dǎo)致小行星產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的一種效應(yīng)）等物理過程的長(zhǎng)期影響，小行星通常都在旋轉(zhuǎn)，角速度通常沿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大的軸。啞鈴形和雪茄形的小行星旋轉(zhuǎn)起來就像竹蜻蜓。和打水漂的石塊一樣，如果角度合適，小行星就可以被地球大氣彈走，完成一次“太空水漂”。不過，由于小行星速度通常非常快，只能在地球大氣上層完成一次“水漂”，像水漂高手那樣用石塊在水面上打出彈跳幾十次的水漂，對(duì)于小行星來說幾乎是不可能完成的任務(wù)。

在現(xiàn)實(shí)中，人類就曾經(jīng)觀測(cè)到小行星的“太空水漂”。1972年曾有一顆小行星在大氣層界面上完美地打了一個(gè)“水漂”，而沒掉落下來。未來，隨著觀測(cè)能力的提升，我們可能會(huì)看到越來越多這種“太空水漂”事件。這將為我們了解地球大氣的上層和小行星的相互作用提供更多信息。

系外小行星和星際水漂

除了太陽系的小行星，最近幾年科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了來自太陽系外的小行星，其中一顆叫作奧陌陌（Oumuamua），它是一顆雪茄形狀（也有研究表明是盤狀）的小行星。和太陽系內(nèi)的小行星相比，奧陌陌的運(yùn)動(dòng)速度要快得多。這是我們能確認(rèn)它來自太陽系外的一個(gè)重要證據(jù)。和太陽系內(nèi)的小行星一樣，這顆來自星際空間的小行星也是有自轉(zhuǎn)的。

星際空間有很多小行星，可能來自類似奧爾特云的區(qū)域。除了奧陌陌這種進(jìn)入太陽的外來小行星，在太陽系和星際介質(zhì)的邊界處，外來的小行星是不是也會(huì)旋轉(zhuǎn)著打出漂亮的“星際水漂”呢？這個(gè)問題就留給未來的你們?nèi)ヌ剿鳎?（責(zé)任編輯/徐沐妍 美術(shù)編輯/李子夜）