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敲黑板——物理学家教你们打水漂!!!

  不知道大家有没有和笔者同样的经历:小时候和小伙伴在一起玩时,常常因为不会打水漂而感到自己不够聪明。

    其实,打水漂也有科学的秘诀!

  当我们一个水漂都不会打的时候,早已经有人利用这个技能获得了吉尼斯世界纪录。目前打水漂的纪录是88次连跳,由美国人库尔特·斯坦纳2014年创下。

  

  源:Veer

  其实关于打水漂这个看似简单的娱乐背后隐藏着巨大的物理学背景。

  石片如何实现“水上漂”?

  首先我们需要考虑一个问题,石片为何能够在水面上弹跳?

  

  源:微博

  原因是,当一块石头片打入水中后,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液体保持与石片相同的速度,未与石片接触的液体保持静止。

  根据伯努利原理,流速大的地方压强小,因此两部分液体之间的压强差使得石片存在一个向上的推力,压强差越大,向上的推力越大。当其推力能够克服重力作用,就会被弹起。石片跳跃多次之后速度会减慢,两部分压强差减小,获得的推力不再能够抵消重力作用,最后石片沉入水底。

  

  图源:Veer图库

   要怎样扔出去,石头才会“漂”起来?

  科学家还真有认真研究这事。在2002年,一项发表在英国期刊《流体力学》杂志上的研究表示:

  要形成水漂,石头在水中的运动过程需要保持方向不变,这就需要石片进入水中时必须存在自旋现象,类似于陀螺效应。陀螺在旋转时存在大的自旋角速度,所以陀螺可以保持竖直方向不倒。而让石头在出手后旋转起来需要一定的技巧,这也是大部分人不会打水漂的原因。

  

  图源:Veer图库

  同时,要想打出漂亮的水漂,石头入水的角度也有讲究。

  在这里我们假设一个椭圆形石片打入水中,以速度V入水,速度方向与水面夹角为β,石头片与水面夹角为θ,同时这个石片存在自旋角速度ω

  

  图源:image.baidu.com

  研究发现,当θβ都接近于20度时,打出的水漂最为理想。

  总结来说就是,要想打出一个漂亮的水花,必须满足三个要求:石头的速度要大,存在自旋,还要满足合适的入水角度。

  射导弹和打水漂同理?

  当普通群众还在乐呵呵地打水漂的时候,军事学家们早将这一现象运用到了实战中。

  最早的导弹是巡航导弹。这类导弹利用火箭助推器加速后,使得主发动机的推力与阻力平衡,弹翼的升力与重力平衡,从而达到飞行的效果。比较著名的如美国战斧巡航导弹BGM-109)。但其速度很低,仅为0.7马赫(马赫数是速度与音速的比值),相当于一个普通客机的飞行速度,并且这种巡航导弹飞行高度不高,因此一旦被发现很容易被拦截。

  

  图源:image.baidu.com

  另一类导弹为弹道导弹,相比于巡航导弹来说射程比较大,可以达到1万公里以上;其主要动力也不同,为火箭发动机。火箭发动机自带燃料和助燃剂不需要大气层中的氧气,因此可以飞出大气层。导弹飞出大气层之后,由于没有空气阻力的作用,可以很快实现加速,因此弹道导弹的速率比较大,同时这种导弹一般是无翼的。

  说到弹道导弹就不得不提沃纳··布劳恩,他在二战时期为德国制造了V-2导弹用来攻打英国,速度可达4.8马赫,由于速度较快,因此英国军队来不及拦截。希特勒倒台之后,冯·布劳恩到了美国NASA工作,设计了著名的土星5号运载火箭,因此布劳恩被NASA称为世界上最伟大的火箭工程师。

  

  沃纳··布劳恩 图源:image.baidu.com

   那么弹道导弹的轨道具体是如何的呢?

  与冯·布劳恩同时期的另一个德国人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,从起点发射一枚穿越出大气层的导弹,由于重力作用这枚弹道会落回大气层,当达到大气层界面时就出现了打水漂的现象,导弹会被再次弹出大气层,经过详细设计之后,最后弹道落回地面,达到攻击点。这种弹道我们称为助推-跳跃弹道。

  与桑格尔弹道对应的就是钱学森弹道。二战结束后,钱学森跟德国物理学家就导弹方面进行了详细的交流,钱学森发现了桑格尔导弹的不足——导弹在大气层上的跳跃并不可控而且不好预测。因此,钱学森在该方案上提出,当导弹第一次进入大气层之后不再弹出而是在大气层中滑行,达到攻击点。这种弹道我们称为助推-滑翔弹道。

  

  图源:微博

  我国新研发的东风-17导弹可以达到6马赫速度,一定是利用的乘波体飞行器,但具体利用的哪种弹道,由于军事机密我们并不清楚。

  不仅如此,打水漂在航天上也有广泛的应用。比如嫦娥五号的航天器在返航时利用的就是桑格尔弹道。

  看似简单的现象,背后其实蕴含了复杂的原理。下次比拼打水漂时,就算“打”不过,也可以科学地“说”过对方了!

  参考来源:

  1.https://baike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=6a0cd5ee2237654403889581&lemmaId=3415140&lemmaId=3415140&fr=qingtian

  2.https://new.qq.com/rain/a/20161014042448

  3.《论打水漂中的物理原理及其应用》,https://wenku.baidu.com/view/afb9764b2e3f5727a5e96293.html

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