科学家教你打水漂

你小时候玩过打水漂的游戏吗？在小池塘边拾起一块扁平的石片或瓦片，侧着身，挥动手臂，用力将石片甩到水面上，石片就会在水面上不断俯冲和跃起，在平静的水面上掀起一朵朵白色的浪花。有时石片能弹起三四次甚至十几次，但若是将一块沉重的石头扔在水里，出现的只有沉闷的“扑通”声和四溅的水花，一次也弹不起来。其实在打水漂这个看似简单的游戏背后，隐藏着物理学的知识。首先，我们需要了解石片为何能够在水面上弹跳。

石片跳跃的秘密

当一块石片打入水中后，会对接触面部分的水面进行挤压，石片将一部分水向下推开，此时，与石片底部接触的一部分水保持与石片相同的速度，而未与石片接触的水则保持静止。根据伯努利原理，流速大的地方压强小，因此两部分水之间的压强差使得石片获得了一个向上的推力，压强差越大，向上的推力就越大。当推力大于重力时，石片就会被弹起。石片跳跃多次之后，速度会减慢，压强差减小，获得的推力不再能够与重力抗衡，石片便会沉入水底。

打出完美水漂的奥秘

为什么有的石头能轻易打出水漂，有的则不行？打水漂的奥秘究竟在哪里呢？法国的物理学家Christophe Clanet教授发表在《自然》上的文章揭示了成功打水漂的奥秘。文中指出，决定石头弹跳次数的因素主要有4个：石头抛掷水平速度、转速速度、石头功角α，以及入水弹道角β。教授还给出了碟形石片打水漂的梦幻攻角，即让石片以20°攻角的姿态撞击水面，这样的碰撞时间最小，因而能量损失最小，所以能够得到理想的效果。总的来说，教授认为要想打出完美水漂，需要具备以下几个条件：

1.选择扁圆且厚度均匀的石片;

2.抛掷的时候，力量要大到能让石片进行旋转;

3.调整出手时石片的角度，让其尽量在接触到水面时，与水面成20°角。

“打水漂”并不只是游戏

当普通群众还在乐呵呵地打水漂的时候，科学家们早将这一现象的原理运用到了实战中。1933年，德国火箭科学家尤金·桑格尔提出了桑格尔弹道。桑格尔弹道其实就是利用了打水漂原理，从起点发射一枚导弹，由于重力作用这枚弹道穿出大气层后会落回大气层，当它到达大气层界面时就会出现打水漂的现象，于是导弹会被再次弹出大气层。经过多次弹跳之后，导弹才会落回地面，到达攻击点。这种弹道我们称为助推-跳跃弹道。

此外，打水漂原理在航天上也有广泛的应用。2020年12月17日凌晨，我国嫦娥五号返回舱利用打水漂原理，在大气层表面进行“太空打水漂”方式返回，顺利着陆。首先，返回舱在接近大气层的时候，以较小的角度进入，借助密度差產生的气动升力跃出大气层。然后，地球引力使返回舱再次回落到大气层，产生又一次弹跳。每一次弹跳，都会使速度降低，直到不再有足够动能形成新的弹跳，返回舱才自由下落，返回地球。“太空打水漂”技术，能够实现“自然减速”，且有助于解决返回段热负荷问题，减少“燃烧”的风险，从而保证返回舱安全着陆。

许多看似简单的现象，背后其实都蕴含了复杂的原理。所以，如果我们能够在日常生活中仔细观察，并善于用科学知识分析观察到的现象，总结出规律，就能够更好地运用这些规律解决实际问题。

（注：文章根据中国科普网、科学大院公众号登载的相关内容整理）