一塊石頭彈跳88次！打水漂隱藏的秘密

科學家曾將打水漂的原理應用于多個領域。比如二戰(zhàn)期間，英國軍隊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水上著陸、船體撞擊和改進魚雷設計等方面，具有重要意義。

打水漂是許多人的童年回憶。近日，中國研究團隊刊文指出，打水漂的原理可以為飛機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

實際上，科學家一直在研究打水漂中石子彈跳的秘密。

法國物理學家萊德里·博凱和克里斯托夫·克萊特曾進行了一項實驗。他們建造了一個彈射裝置，將石子射向一個水箱。如何實現(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動方向相平衡。研究者發(fā)現(xiàn)，即使是使用了彈射機，石子最多只能彈跳約20次——遠低于石子彈跳88次的世界紀錄（2013年，美國人庫爾特斯坦納打水漂時，創(chuàng)下該項紀錄）。

博凱和克萊特進一步研究發(fā)現(xiàn)，石子不再彈跳不是因為速度變慢了。他們認為，石子在向下移動時，比向上移動時推出更多的水。因此，隨著時間推移，動量傳遞越來越少，抬升力逐漸減小。最終，石子不再有足夠的能量跳躍，它就會下沉。他們的實驗表明，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，科學家曾將打水漂的原理應用于多個領域。

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

由于大壩設置了多層防雷網(wǎng)，現(xiàn)有炸彈不能完成炸壩任務，英國資深航空技術專家巴恩斯·沃利斯為此絞盡腦汁。直到有一天，他看到一個小男孩在打水漂，石子在水面連續(xù)不斷地彈跳，讓他頓時茅塞頓開——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，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。他在飛機上安裝了特殊裝置，讓炸彈空投時以每分鐘500次的速度自轉，使它能夠在水面跳躍前進，并且安裝了水壓引信，使它在水壓達到一定強度時才會爆炸。

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，炸彈會因入水的角度不對而沉底;其次，速度不能太快，如果超過280公里/小時，炸彈會因撞到大壩時產(chǎn)生的沖擊力過大而引爆。1943年5月16日晚，經(jīng)過專門訓練的英國皇家空軍617中隊，在隊長蓋伊·吉布森的率領下，駕駛19架重型轟炸機空投炸彈。其中一顆彈跳炸彈快速旋轉著，躍過一道道防雷網(wǎng)向大壩沖去，最終準確無誤地擊中了默訥大壩的要害。

未來或為航空、航天和海洋工程服務

中國研究團隊在文章中指出，1932年，航天工程師赫伯特·瓦格納研究發(fā)現(xiàn)，水上飛機的起飛和著陸，本質上是在液體表面上撞擊和滑動的過程。其中，撞擊過程是由液體的初始運動和物體的運動過程預先確定的。

在新研究中，中國研究團隊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)建了一個實驗裝置，包括一個圓盤和一個帶有電機的發(fā)射系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)使用來自壓縮機噴出的空氣來控制圓盤，以確保其能達到必要的速度。

研究發(fā)現(xiàn)，圓盤旋轉撞擊液體時產(chǎn)生的“陀螺效應”（旋轉的物體有保持其旋轉方向的慣性）和“馬格努斯效應”，結合起來影響了其運動軌跡。所謂“馬格努斯效應”，是指當一個旋轉物體的旋轉角速度矢量與物體飛行速度矢量不重合時，在與旋轉角速度矢量和平動速度矢量組成的平面相垂直的方向上將產(chǎn)生一個橫向力。在這個橫向力的作用下，物體飛行軌跡會發(fā)生偏轉的現(xiàn)象，打水漂也會發(fā)生類似的情況。而偏轉方向是由圓盤的旋轉方向控制的。如果圓盤順時針旋轉，則會向右偏轉。如果逆時針旋轉，圓盤則會向左偏轉。旋轉有助于穩(wěn)定迎角，從而為圓盤的連續(xù)彈跳創(chuàng)造有利條件。

研究人員總結說：“適當?shù)挠呛退剿俣仁钱a(chǎn)生足夠的水動力以滿足彈跳條件的關鍵因素，研究結果對飛機水上著陸、船體撞擊和改進魚雷設計等方面，具有重要意義。

（《環(huán)球科學》等）