一塊石頭彈跳88次！打水漂隱藏的秘密

科學(xué)家曾將打水漂的原理應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。比如二戰(zhàn)期間，英國(guó)軍隊(duì)就曾利用打水漂的原理制造了一種彈跳炸彈。此外，打水漂的原理還在飛機(jī)水上著陸、船體撞擊和改進(jìn)魚雷設(shè)計(jì)等方面，具有重要意義。

打水漂是許多人的童年回憶。近日，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)刊文指出，打水漂的原理可以為飛機(jī)或航天器的水上降落過程建立可靠模型。

打水漂中，石子彈跳之謎

實(shí)際上，科學(xué)家一直在研究打水漂中石子彈跳的秘密。

法國(guó)物理學(xué)家萊德里·博凱和克里斯托夫·克萊特曾進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他們建造了一個(gè)彈射裝置，將石子射向一個(gè)水箱。如何實(shí)現(xiàn)石子彈跳次數(shù)最大化，最直接的辦法是盡可能快地投擲石子。除此之外，還必須保證投擲的速度和運(yùn)動(dòng)方向相平衡。研究者發(fā)現(xiàn)，即使是使用了彈射機(jī)，石子最多只能彈跳約20次——遠(yuǎn)低于石子彈跳88次的世界紀(jì)錄（2013年，美國(guó)人庫(kù)爾特斯坦納打水漂時(shí)，創(chuàng)下該項(xiàng)紀(jì)錄）。

博凱和克萊特進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，石子不再?gòu)椞皇且驗(yàn)樗俣茸兟恕Ｋ麄冋J(rèn)為，石子在向下移動(dòng)時(shí)，比向上移動(dòng)時(shí)推出更多的水。因此，隨著時(shí)間推移，動(dòng)量傳遞越來越少，抬升力逐漸減小。最終，石子不再有足夠的能量跳躍，它就會(huì)下沉。他們的實(shí)驗(yàn)表明，為保證彈跳次數(shù)，石子與水面之間的最佳角度為10至20度。

用打水漂的原理制造彈跳炸彈

歷史上，科學(xué)家曾將打水漂的原理應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

比如二戰(zhàn)期間，英國(guó)軍隊(duì)特別研制出一種可以彈跳的炸彈。當(dāng)時(shí)，英國(guó)軍隊(duì)將德國(guó)的重要生產(chǎn)基地——魯爾工業(yè)區(qū)，作為戰(zhàn)略打擊目標(biāo)。他們認(rèn)為，如果將其上方的默訥大壩炸毀，德國(guó)的軍火、煤礦、石油等重要物資生產(chǎn)將陷入癱瘓。

由于大壩設(shè)置了多層防雷網(wǎng)，現(xiàn)有炸彈不能完成炸壩任務(wù)，英國(guó)資深航空技術(shù)專家巴恩斯·沃利斯為此絞盡腦汁。直到有一天，他看到一個(gè)小男孩在打水漂，石子在水面連續(xù)不斷地彈跳，讓他頓時(shí)茅塞頓開——能不能用打水漂的原理制造一種炸彈，使其在水面上跳躍前進(jìn)，越過防彈網(wǎng)，最后跳至壩體處炸毀大壩？

巴恩斯·沃利斯立即展開了研究。他在飛機(jī)上安裝了特殊裝置，讓炸彈空投時(shí)以每分鐘500次的速度自轉(zhuǎn)，使它能夠在水面跳躍前進(jìn)，并且安裝了水壓引信，使它在水壓達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)才會(huì)爆炸。

然而，空投這種彈跳炸彈并非易事。首先，空投高度不能太高，如果超過18米，炸彈會(huì)因入水的角度不對(duì)而沉底;其次，速度不能太快，如果超過280公里/小時(shí)，炸彈會(huì)因撞到大壩時(shí)產(chǎn)生的沖擊力過大而引爆。1943年5月16日晚，經(jīng)過專門訓(xùn)練的英國(guó)皇家空軍617中隊(duì)，在隊(duì)長(zhǎng)蓋伊·吉布森的率領(lǐng)下，駕駛19架重型轟炸機(jī)空投炸彈。其中一顆彈跳炸彈快速旋轉(zhuǎn)著，躍過一道道防雷網(wǎng)向大壩沖去，最終準(zhǔn)確無誤地?fù)糁辛四G大壩的要害。

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中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在文章中指出，1932年，航天工程師赫伯特·瓦格納研究發(fā)現(xiàn)，水上飛機(jī)的起飛和著陸，本質(zhì)上是在液體表面上撞擊和滑動(dòng)的過程。其中，撞擊過程是由液體的初始運(yùn)動(dòng)和物體的運(yùn)動(dòng)過程預(yù)先確定的。

在新研究中，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)專門研究了彈跳和沖浪（圓盤或石子滑過表面并不彈跳）的過程。研究者創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，包括一個(gè)圓盤和一個(gè)帶有電機(jī)的發(fā)射系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)使用來自壓縮機(jī)噴出的空氣來控制圓盤，以確保其能達(dá)到必要的速度。

研究發(fā)現(xiàn)，圓盤旋轉(zhuǎn)撞擊液體時(shí)產(chǎn)生的“陀螺效應(yīng)”（旋轉(zhuǎn)的物體有保持其旋轉(zhuǎn)方向的慣性）和“馬格努斯效應(yīng)”，結(jié)合起來影響了其運(yùn)動(dòng)軌跡。所謂“馬格努斯效應(yīng)”，是指當(dāng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)角速度矢量與物體飛行速度矢量不重合時(shí)，在與旋轉(zhuǎn)角速度矢量和平動(dòng)速度矢量組成的平面相垂直的方向上將產(chǎn)生一個(gè)橫向力。在這個(gè)橫向力的作用下，物體飛行軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，打水漂也會(huì)發(fā)生類似的情況。而偏轉(zhuǎn)方向是由圓盤的旋轉(zhuǎn)方向控制的。如果圓盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則會(huì)向右偏轉(zhuǎn)。如果逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，圓盤則會(huì)向左偏轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)有助于穩(wěn)定迎角，從而為圓盤的連續(xù)彈跳創(chuàng)造有利條件。

研究人員總結(jié)說：“適當(dāng)?shù)挠呛退剿俣仁钱a(chǎn)生足夠的水動(dòng)力以滿足彈跳條件的關(guān)鍵因素，研究結(jié)果對(duì)飛機(jī)水上著陸、船體撞擊和改進(jìn)魚雷設(shè)計(jì)等方面，具有重要意義。

（《環(huán)球科學(xué)》等）