?

圖片來源：pixabay

?

撰文丨Jennifer Ouellette

翻譯丨Jubilee

編輯丨楊心舟

?

打水漂中跳動(dòng)的石子一直讓許多物理學(xué)家著迷，盡管乍一看這背后的基本概念似乎很簡單。石子能跳多久，則取決于旋轉(zhuǎn)、速度、石子的形狀和角度。當(dāng)石頭撞擊水面時(shí)，沖擊力會(huì)將一些水向下推，而石子則會(huì)受到向上的反作用力。如果石子的移動(dòng)速度足夠快，達(dá)到最小速度閾值，就會(huì)反彈；如果沒有則會(huì)下沉。而想要打出一個(gè)完美的水漂，最好是選擇一個(gè)圓形、扁平的石子，因?yàn)檫@種石子的表面積大，它在撞擊水面時(shí)可以推開更多的水。

?

法國物理學(xué)家 Lyderic Bocquet 和 Christophe Clanet 在2004年的實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。他們建造了一個(gè)彈射裝置，將鋁盤射向一個(gè)水箱，然后用高速攝像機(jī)記錄下飛濺的水花。他們發(fā)現(xiàn)，為了保持穩(wěn)定跳躍，石子必須達(dá)到最小的旋轉(zhuǎn)速度（在碰撞期間至少旋轉(zhuǎn)一次）。換句話說，石子依賴于陀螺效應(yīng)。在這種效應(yīng)下，一個(gè)圍繞自身旋轉(zhuǎn)的物體往往更容易保持自己的方向。有經(jīng)驗(yàn)的打水漂玩家通常只需用手指輕擊石子即可使它們自我旋轉(zhuǎn)。

?

Bocquet和Clanet的實(shí)驗(yàn)幫助他們確定了該如何最大化彈跳的次數(shù)。顯而易見的解決方案是盡可能快地投擲石子，因?yàn)閺椞螖?shù)與投擲速度成正比。但除此之外，還必須能夠讓投擲的速度和運(yùn)動(dòng)方向相平衡。即使是使用了彈射機(jī)，研究者最多只能實(shí)現(xiàn)大約20次彈跳——遠(yuǎn)低于2013年創(chuàng)下的88次彈跳的世界紀(jì)錄。

?

圖片來源：pixabay

?

通過研究造成石子停止跳躍的原因，他們獲得了進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)。石子不再彈跳不是因?yàn)槭拥乃俣茸兟?。相反，它的移?dòng)軌跡隨著時(shí)間變平導(dǎo)致了這一結(jié)果。Bocquet和Clanet的結(jié)論認(rèn)為，石子移動(dòng)時(shí)相對(duì)于水面的角度造成了這一現(xiàn)象。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)間的推移，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，石子與水面之間的最佳角度在10～20度之間。

?

2014年，猶他州立大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)嘗試在水面上投擲彈性球體，并用高速攝像機(jī)捕捉動(dòng)態(tài)。彈性球體比巖石更有彈性，因此當(dāng)它們撞擊水面時(shí)會(huì)被擠壓變形成圓盤，呈現(xiàn)出理想形狀。因?yàn)閺椥郧蝮w的變形與它們撞擊水面的角度無關(guān)，并且速度閾值較低，所以用它們實(shí)現(xiàn)更多的彈跳要容易得多。根據(jù)研究作者之一，來自猶他州立大學(xué)物理學(xué)家Tadd Truscott的說法，任何人只要練習(xí)短短10分鐘，就可以使彈性球體彈跳20次。

?

除了探索有趣的因素之外，科學(xué)家也曾在歷史上將打水漂的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界。例如，大約在1578年，數(shù)學(xué)家William Bourne就指出，從船上以足夠低的角度發(fā)射的炮彈可能會(huì)在水面上彈跳，彈到甲板上并破壞目標(biāo)船上的桅桿。在第二次世界大戰(zhàn)期間，英國工程師Barnes Wallis提出了臭名昭著的“彈跳炸彈”設(shè)計(jì)，武器能在擊中目標(biāo)之前在水面上彈跳，然后沉沒并在水下爆炸，類似于深水炸彈。

?

與最近這篇論文更相關(guān)的是，1929年，Theodore von Karman進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)以確定水上飛機(jī)在水上著陸時(shí)的最大壓力。而在1932年，Herbert Wagner表明，水上飛機(jī)的起飛和著陸本質(zhì)上完全是在液體表面上的撞擊和滑動(dòng)過程。中國研究團(tuán)隊(duì)在最新的論文中介紹到：“Wagner指出，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?！?/p>

?

在新研究中，他們專門研究了彈跳和沖浪（圓盤或石子滑過表面并不彈跳）過程。研究人員提出了一個(gè)理論模型，該模型不僅包含了陀螺效應(yīng)，還加入了馬格努斯效應(yīng)。眾所周知，棒球在移動(dòng)中會(huì)在它周圍產(chǎn)生一個(gè)空氣漩渦。球上凸起的接縫會(huì)攪動(dòng)球周圍的空氣，在不同的位置產(chǎn)生高壓區(qū)(取決于投球的類型)，這可能導(dǎo)致球的軌跡出現(xiàn)偏差。打水漂也會(huì)發(fā)生類似的情況。

?

為了測試他們的模型，研究者創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，包括一個(gè)扁平的鋁盤和一個(gè)帶有電機(jī)的發(fā)射系統(tǒng)，以確保鋁盤能達(dá)到必要的速度。發(fā)射系統(tǒng)使用來自壓縮機(jī)噴出的空氣來控制圓盤到水中的速度。研究人員在鋁盤上安裝了一個(gè)尼龍帽，通過磁性底座將其連接到發(fā)射器。帽子還裝有一個(gè)慣性導(dǎo)航模塊，用于在發(fā)射、“飛行”和著陸期間測量和收集數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙連接將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

?

圖片來源：Jie Tang et al./Physics of Fluids 2021

?

研究人員還確定，石子旋轉(zhuǎn)撞擊流體時(shí)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)和馬格努斯效應(yīng)，結(jié)合起來影響了其軌跡的偏轉(zhuǎn)。而偏轉(zhuǎn)方向是由石子的旋轉(zhuǎn)方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）控制的。如果石子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則會(huì)向右偏轉(zhuǎn)；如果逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則會(huì)向左偏轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)有助于穩(wěn)定迎角，從而為石子的連續(xù)彈跳創(chuàng)造有利條件。

?

圖片來源：Jie Tang et al./Physics of Fluids 2021

?

作者總結(jié)道：“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?！毖芯空哐a(bǔ)充表示：“研究結(jié)果為航空、航天和海洋工程研究提供了一個(gè)新的視角?！睂?duì)飛機(jī)水上著陸、船體撞擊（將一艘船撞入另一艘船的橫截面）和改進(jìn)魚雷設(shè)計(jì)等方面，具有重要意義。

?

原文鏈接：

https://arstechnica.com/science/2021/06/what-the-physics-of-skipping-stones-can-tell-us-about-aircraft-water-landings/


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動(dòng)詳情