打水漂的原理研究

打水漂，是一种常见的娱乐活动，就是向水面上扔扁平的石头，以被水面弹起的次数取胜。不同的民族都有他们自己的名字，例如在美国叫做Stone Skipping，在英国叫Skimming Stone。 这个词在汉语和英语中同时都有一个引申义。但是并不相同。在汉语中是投资失败，在英语中是挥霍财产。

弹跳炸弹（Bouncing Bomb）是一种特殊设计的炸弹，透过外形以及精密计算的投掷时间和高度，在水面上反复的跳跃一段距离后才与目标撞击并且引爆。在弹跳的过程当中，炸弹可以避开像是鱼雷保护网的障碍物而成功破坏目标。第一种实际使用的弹跳炸弹是英国皇家空军于1943年5月对德国鲁尔区水坝进行惩罚作战（Operation Chastise）时所使用的保养（Upkeep）炸弹。

示意图

打水漂是人类最古老的游戏之一，这种游戏规则相当简单：看谁的石子在水面跳跃的次数多。

　　科尔曼·麦吉，美国得克萨斯州人，一直保持着在1992年创造的打水漂吉尼斯世界纪录。当时麦吉抛出的石子穿过得克萨斯中部布兰克河，并在河上一直跳跃了38下。怎么才能击败麦基呢？

　　一天法国里昂大学利德里克·博凯博士和八岁的儿子出去散步。在一条河边两个人玩起了打水漂，儿子问他，怎样打水漂可以打得更远呢？像千千万万回答儿子问题的父亲一样，博凯博士将自己在小时候就精通的打水漂游戏亲身示范给儿子。比如要使用扁平略圆的石块抛向水面，越用力就越能让石子在水面有更多弹跳；而且石块在抛掷时必须旋转，同时石块要尽可能以较小掠射水面的角度沿水面飞行等等。

父子一同打水漂（网络图）

　　看着石块在水面上留下的朵朵涟漪，物理学家的脑袋冒出了一个离奇的想法：为什么不用物理学的知识把打水漂的过程搞清楚呢？于是这位物理学家开始了艰苦的研究。日后当记者采访他时，他说：“我把打水漂作为一种有趣的业余爱好，而物理学能够帮助我们更好的理解日常生活。”

　　后来这位科学家的业余爱好变成了一组研究打水漂的方程式发表在2002年的《美国物理学季刊》上。根据他的方程式，要想达到麦吉所创造的打水漂世界吉尼斯纪录的顶峰——38下，要求一块石头以25英里/小时（每小时40公里），每秒14转的方式抛出。而真正的秘诀在于你扔的石头应当在20度的“黄金角度”撞击水面。 

　　博凯的方程式还预言，石块弹跳，只有在抛掷的初速超过某个临界值时才会发生，旋转的石块能使飞行稳定，而且提高弹跳几率；而且，弹跳的次数多寡取决于入射水面石块的速度有多快，当然，这也取决于石块抛掷的初速。但在实际上，弹跳次数受角度不稳定因素限制，角度不稳定因素与运动速度无关，因而弹跳次数取决于对继续飞行至关重要的第一次弹跳。 

　　这篇论文得到了马塞大学失去平衡现象研究所戈兰妮特的注意，他和他的学生从这篇论文中汲取了灵感制造了一台自动投掷机，利用自动投掷机将直径5公分，厚度2.75mm的铝制圆盘投入2公尺长的水池，用以模拟打水漂的过程，并用高速相机将整个实验记录下来——飞碟接触水面的时间通常不到百分之一秒。实验印证了博凯的发现是正确的。 

“天鹅座”货运飞船坠入大气层瞬间（网络图）

　　科学家所做的打水漂试验有着十分重要的实际意义。它可以帮助物理学家模拟航天器重返地球时进入大气的过程：当航天器从空气稀薄的太空重返地球，进入“浓密的”大气层，他的运动方式就与打水漂有几分类似，也有一个在大气中“弹跳”的过程。若航天器与大气的接触角度太小，航天器就会像水漂一样被弹回太空。因此打水漂实验将帮助物理学家更精确地模拟航天器回收过程，根据模拟的结果更精确的设定航天器进入大气层的角度和速度，提高回收成功率。

参考资料：

浅谈打水漂

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打水漂是人类最古老的游戏之一，据推测从石器时代就开始了，如何将水漂打得既多又远，一直是人们感兴趣的问题。杰丹·科尔曼，美国得克萨斯州人，一直保持着在1992年创造的当今吉尼斯世界纪录。当时他抛出的石子穿过得克萨斯中部布兰克河，并在河上一直跳跃了38下。

现在来简单分析一下打水漂背后的物理学原理。根据流体力学的原理，流速越大压强越小。当物体（密度比水大）掠过水面时，带动它下面的水在非常短的时间内快速流动，从而压强减小，而更下面的水是静止不动的，产生的压强大，如此就对物体产生一个压力，当压力大于物体的重力时，物体就会弹起，这样的情况重复多次，物体就会出现在水面上跳跃的情况。当压力小于重力时，物体就沉入水中。此外，当物体旋转时，能更加带动水的流动，跳跃的次数会更多。

其实科学家们还没有能揭示出石头为什么能在水面滑行的更加科学的奥秘。人们设想这其中应该包括诸多因素；如，万有引力，空气动力学，流体力学，固体与液体之间的磨擦作用，作用力与反作用力，水面的张力，石头的表面构造、石头的大小与形态、角度，加上动力的“正常”法则——质量、速度、摩擦与惯性，线性动力和角度等等。

关于打水漂的研究，法国科学家于2005年下半年取得了非常大的进展。

马赛大学失去平衡现象研究所的克里斯托弗·克兰尼特和他的两位同事制作了一个“打水漂机”，实际上就是个机械化弹弓，用来发射不同大小的铝制飞碟。科学家向一水池发射飞碟，同时用高速摄像机将飞碟在水面弹跳的过程拍下来——飞碟接触水面的时间通常不到百分之一秒。

在试验中，研究人员改变了飞碟的直径、厚度、速度以及入水角度和旋转等因素，经过反复尝试，他们终于发现了打水漂的奥秘：关键在于角度。如果石块入水的角度大于45度，它根本弹不起来，会直接沉入水中；当石块与水面的夹角为20度时，它在水面上弹跳的次数最多，“这就是打水漂的黄金角度”，克兰尼特补充说，旋转的石块要比不旋转的弹跳次数更多，因为旋转可以使石块更稳定，并减少消耗的动能。水漂的数量还与石块的速度成正比，直径5厘米的铝片以20度夹角接触水面时，速度必须达到每秒2.5米以上，否则就会落水。而扁平、圆形的石块则是打水漂最理想的材料。

克兰尼特的打水漂实验有着非常大的实际意义，当航天飞机从太空返回地球时，进入大气层的过程与打水漂有几分类似，也是一个“弹跳”的过程。若航天器与大气的接触角度太小，航天器就会像水漂一样被弹回太空。科学家们根据打水漂实验的结论，能更准确的模仿航天飞机的回收，据此更精确的设定航天器进入大气层的角度和速度，从而提高了回收的成功率。