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头或瓦片，侧着身，挥动手臂用力将石头甩到水面上，那石子就在水面上不断俯冲和跃起弹向池子的尽头，在平静水面上掀起一朵朵白色的浪花。有时石头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。

打水漂照片（图片来源：veer 图库）

为什么有的石头能轻易打出水漂，有的则不行？打水漂的奥妙究竟在哪里呢？沉入到水中的石头又会有哪些运动？

怎样才能打出完美水漂？

要想成功打水漂，需要具备以下几个条件：

选择扁圆且厚度均匀的石头； 抛掷的时候力量要大且让石头进行旋转； 调整出手时石头的角度，让其尽量在接触水面时是 20 °。

打水漂姿势照片（/）

法国的物理学家发表在《Nature》上的文章揭示了成功打水漂的奥妙，文中指出决定石头弹跳次数主要有 4 个参数：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。且 Christophe Clanet 教授给出了碟形石块打水漂的梦幻攻角，即以 20 度攻角的姿态撞击水面，碰撞时间最小因而能量损失最小，能够得到理想的效果。

碟形石块打水漂的力学模型及分析（左图：α 为攻角，β 为入水弹道角；右图：结果表明攻角为 20 度时具有最佳的弹跳效果，而弹道角大于 45 度后不会再产生弹跳）

" 打水漂 " 也曾多次得到重要的实际应用。

二战时期，盟军希望攻击德国鲁尔工业区内的水坝，在严密防守下通常的高空投弹和水下鱼雷攻击都一筹莫展。英国发明家威利斯依据打水漂现象，发明了一种弹跳弹，飞机投下的炸弹在水面上跳过防御工事后在大坝上爆炸，最终盟军采用这种方法成功摧毁了德国境内的三座大坝。

威利斯的弹跳弹设计原始草图（左）及使用效果照片（右）

2020 年 12 月 17 日凌晨，我国探月工程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。返回舱在接近大气层的时候，以较小的角度进入，借助密度差产生的气动升力跃出大气层。地球引力使返回舱再次回落，产生又一次弹跳。每一次弹跳，速度逐渐会降低，直到不再有足够动能形成新的弹跳，而自由下落，返回地球。" 太空打水漂 " 技术，能够实现 " 自然减速 "，且有助于降低返回段热负荷问题，避开触发 " 燃烧 " 的风险，从而保证返回舱安全着陆。

嫦娥五号 " 打水漂 " 式回家（图片来源见水印）

Clanet 教授同时还发现，当入水弹道角大于 45 度，石块会直接进入水下而不产生弹跳。从力学角度来看，物体以相对速度穿越水面的入水过程主要包括三个阶段：接触瞬时的砰击、自由面大变形的开式空泡、开式空泡闭合后的水中运动。前者主要是冲击动力学问题，而后两方面往往表现为水动力与刚体运动甚至结构变形的耦合。入水的流动特征与物体形状、姿态、入水角度、初速度乃至旋转、表面特性等多种因素相关。在开式空泡条件下，物体与水通常只有头部小面积接触，流动约束反力非常小，因而姿态通常不稳定导致物体在水中剧烈旋转。

小球入水的典型过程（a: 入水冲击和射流生成；b&c;: 形成与空气连通的开式空泡和皇冠形飞溅；d: 空泡发生深闭合并形成垂向射流；e: 空泡发生表面闭合）

自然界的入水 " 标兵 "，给了科学家什么启发？

自然界和生物界也有形形色色的入水问题，如翠鸟，鲣鸟等平时在空中飞行，发现猎物后会以近乎垂直的角度突然俯冲下来进入水中，靠惯性入水并抓捕鱼类。那么，这些动物是如何做到姿态可控且轨道稳定去捕捉鱼类呢？

研究发现这些以鱼为食的鸟类通常具有尖锐的喙和细长的脖子，入水前翅膀夹紧身体像箭一般刺入水中，最大限度地优化自身入水的水动力学特性，且翠鸟入水通常只会激起非常小的水花，这样便可在入水后保持更快的速度、潜入更深的水中以提高捕食到鱼类的机会。入水之后通过调整翅膀的伸展控制姿态，迅速捕食猎物。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/zonghexinwen/2021/0210/490.html

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