出品：科普中国

制作：王志英

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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：

1. 选择扁圆且厚度均匀的石头；

2. 抛掷的时候力量要大且让石头进行旋转；

3. 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｜newton.com.tw/twoeggz.xom

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。

而且hristophe 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

△α为攻角，β为入水弹道角（左）结果表明攻角为20度时具有最佳的弹跳效果（右），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？

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/zonghexinwen/2021/0210/491.html

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