科學(xué)家教你打水漂

你小時(shí)候玩過打水漂的游戲嗎？在小池塘邊拾起一塊扁平的石片或瓦片，側(cè)著身，揮動(dòng)手臂，用力將石片甩到水面上，石片就會(huì)在水面上不斷俯沖和躍起，在平靜的水面上掀起一朵朵白色的浪花。有時(shí)石片能彈起三四次甚至十幾次，但若是將一塊沉重的石頭扔在水里，出現(xiàn)的只有沉悶的“撲通”聲和四濺的水花，一次也彈不起來。其實(shí)在打水漂這個(gè)看似簡單的游戲背后，隱藏著物理學(xué)的知識(shí)。首先，我們需要了解石片為何能夠在水面上彈跳。

石片跳躍的秘密

當(dāng)一塊石片打入水中后，會(huì)對(duì)接觸面部分的水面進(jìn)行擠壓，石片將一部分水向下推開，此時(shí)，與石片底部接觸的一部分水保持與石片相同的速度，而未與石片接觸的水則保持靜止。根據(jù)伯努利原理，流速大的地方壓強(qiáng)小，因此兩部分水之間的壓強(qiáng)差使得石片獲得了一個(gè)向上的推力，壓強(qiáng)差越大，向上的推力就越大。當(dāng)推力大于重力時(shí)，石片就會(huì)被彈起。石片跳躍多次之后，速度會(huì)減慢，壓強(qiáng)差減小，獲得的推力不再能夠與重力抗衡，石片便會(huì)沉入水底。

打出完美水漂的奧秘

為什么有的石頭能輕易打出水漂，有的則不行？打水漂的奧秘究竟在哪里呢？法國的物理學(xué)家Christophe Clanet教授發(fā)表在《自然》上的文章揭示了成功打水漂的奧秘。文中指出，決定石頭彈跳次數(shù)的因素主要有4個(gè)：石頭拋擲水平速度、轉(zhuǎn)速速度、石頭功角α，以及入水彈道角β。教授還給出了碟形石片打水漂的夢(mèng)幻攻角，即讓石片以20°攻角的姿態(tài)撞擊水面，這樣的碰撞時(shí)間最小，因而能量損失最小，所以能夠得到理想的效果。總的來說，教授認(rèn)為要想打出完美水漂，需要具備以下幾個(gè)條件：

1.選擇扁圓且厚度均勻的石片;

2.拋擲的時(shí)候，力量要大到能讓石片進(jìn)行旋轉(zhuǎn);

3.調(diào)整出手時(shí)石片的角度，讓其盡量在接觸到水面時(shí)，與水面成20°角。

“打水漂”并不只是游戲

當(dāng)普通群眾還在樂呵呵地打水漂的時(shí)候，科學(xué)家們?cè)鐚⑦@一現(xiàn)象的原理運(yùn)用到了實(shí)戰(zhàn)中。1933年，德國火箭科學(xué)家尤金·桑格爾提出了桑格爾彈道。桑格爾彈道其實(shí)就是利用了打水漂原理，從起點(diǎn)發(fā)射一枚導(dǎo)彈，由于重力作用這枚彈道穿出大氣層后會(huì)落回大氣層，當(dāng)它到達(dá)大氣層界面時(shí)就會(huì)出現(xiàn)打水漂的現(xiàn)象，于是導(dǎo)彈會(huì)被再次彈出大氣層。經(jīng)過多次彈跳之后，導(dǎo)彈才會(huì)落回地面，到達(dá)攻擊點(diǎn)。這種彈道我們稱為助推-跳躍彈道。

此外，打水漂原理在航天上也有廣泛的應(yīng)用。2020年12月17日凌晨，我國嫦娥五號(hào)返回艙利用打水漂原理，在大氣層表面進(jìn)行“太空打水漂”方式返回，順利著陸。首先，返回艙在接近大氣層的時(shí)候，以較小的角度進(jìn)入，借助密度差產(chǎn)生的氣動(dòng)升力躍出大氣層。然后，地球引力使返回艙再次回落到大氣層，產(chǎn)生又一次彈跳。每一次彈跳，都會(huì)使速度降低，直到不再有足夠動(dòng)能形成新的彈跳，返回艙才自由下落，返回地球。“太空打水漂”技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)“自然減速”，且有助于解決返回段熱負(fù)荷問題，減少“燃燒”的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證返回艙安全著陸。

許多看似簡單的現(xiàn)象，背后其實(shí)都蘊(yùn)含了復(fù)雜的原理。所以，如果我們能夠在日常生活中仔細(xì)觀察，并善于用科學(xué)知識(shí)分析觀察到的現(xiàn)象，總結(jié)出規(guī)律，就能夠更好地運(yùn)用這些規(guī)律解決實(shí)際問題。

（注：文章根據(jù)中國科普網(wǎng)、科學(xué)大院公眾號(hào)登載的相關(guān)內(nèi)容整理）