怎么打好水漂？

刘小康

陀螺效应让旋转的石块能维持初始运动方向

打水漂是一项经久不衰的童年游戏，但其中的原理却引得物理学家苦苦探索了许多年。乍看之下，打水漂时石头在水面上弹跳的次数多少只取决于石头的转速、速度、形状，以及石头与水面接触的夹角等因素。石头撞击水面的瞬间，冲击力排开一部分水，石头本身受到反作用力，亦被水面推动向上。此时，石头若能达到特定的旋转速度，便能弹起;反之，就会没入水中。扁圆的石头显然最为趁手，它在弹跳时能够排开更多的水。

2004年，法国物理学家博凯和克拉内将铝碟弹射到水上，并用高速摄像机拍下水花。通过实验，他们发现：铝碟只有在撞击时达到特定转速，才能继续在水面上运动。换言之，石头在水面弹跳，依赖的正是“陀螺效应”。这一效应是指，绕轴自转的物体，有维持自身行进方向的趋势。旋转中的陀螺不会倾倒，靠的也正是该原理。富有经验的打水漂老手轻轻一弹手指，便能让手中的石头成功实现这种自转。

借助宴验，博凯和克拉内搞清了怎样让石头的弹跳次数更多。既然弹跳次数与投掷速度成正比，最简单的方法就是尽可能陕地将石头掷出，同时还要兼顾投掷速度和方向。不过即便明白其中的基本原理，弹射机器弹射出的石头也只实现了最多20次的弹跳，远不及美国人斯坦纳于2013年创造的打水漂世界纪录——88次。

此外，两位科学家进一步探究了石头停止跳跃背后的缘由，并发现石头最终没入水中不是因为速度变慢，而是它的运动轨迹越来越扁平，也就是石头击打水面的角度逐渐减小。虽然石头击打水面的夹角在大多数肘候总是越小越好，但如果夹角小到一定程度，石头击打水面时就难以推开足量的水，也就无法从水面获得用于上升的足够反作用力，最终沉入水中。实验表明，石头与水面的夹角在10°～20°是最理想的。

扁扁的石头更适合打水漂

2014年，美国犹他州立大学的研究小组利用弹力球和高速摄像机重复了类似实验。在实验中，当弹力球撞击水面时，富有弹性的球体会变成非常适合弹跳的形状。而弹力球的形变与其撞击水面角度无关，因此用弹力球提升弹跳次数也就更为容易。经过10分钟练习后，绝大多数实验参与者都能用弹力球轻易打出20次弹跳。

水上飞机起降也类似打水漂

打水漂的原理也启发了其他领域的科学家。1578年，有数学家指出，舰艇炮弹如果以足够低的角度射出，就有可能在水面弹跳，并—路跳上敌舰甲板，摧毁桅杆。第二次世界大战期间，有英国工程师异想天开，设计出了“弹跳炸弹”。这种炸弹能在水面弹跳，命中目标后迅速下沉并在水下爆炸，造成类似深水炸弹的破坏。1943年，英国皇家空军就曾用它来对付德军的舰艇。在相关的影像记录中，一架飞机从海面上方约50米高处丢下弹跳炸弹，这枚炸弹不同于一般炸弹，它在下降过程中保持高速旋转，就像一个高速旋转的车轮。当炸弹接触海面后，它不仅没有沉入海中，反而在激起一阵浪花后向飞机移动方向弹起至半空，经过在海面的多次弹跳后，炸弹命中船只并爆炸。

1929年，美国航空工程师西奥多·冯·卡门进行了数个大型“打水漂”实验，用于测定水上飞机进行水上着陆时受到的最大压力。1932年，赫伯特.瓦格纳阐明，水上飞机的起降过程，等同于在流体表面进行撞击与滑行，也就是过程和打水漂类似。瓦格纳指出，要让水上飞机成功在水面起降（而非撞入水中沉没），一看水面的初始流动状态，二看飞机的运动过程。

入水角度决定了石头弹起还是沉没

2021年，中国科学家们通过铝碟和发射装置验证了“打水漂”模型。发射装置借助空氣压缩机喷出的气流，从而精确控制铝碟掠过水面的速度。他们发现，当铝碟的加速度高于3.05g（g为重力加速度）.铝碟就有可能在水面上弹跳。不过，当加速度更高一些时，铝碟就不会弹跳，而是在水面滑行。当铝碟的加速度更高时，例如达到4g，铝碟就会获得明显的、来自水面的升力，从而再次弹跳起来。看来，丢石头的力道也是很有讲究的。

科学家还发现，旋转的石头撞击流体，同时引发了陀螺效应和马格努斯效应，进而在两者的共同影响下实现了轨迹偏移。石头顺时针或逆时针的转向，也反过来影响了自身的偏移方向。石头的自转有助于维持入水角度，为连续跳跃制造有利条件。

科学家做出了总结：能否制造充足的流体动力让入水物体实现弹跳，关键在于恰当的入水角度及水平加速度。这项研究必将对太空再入载具及飞机的水上着陆、鱼雷设计改进等方面产生深远影响。

马格努斯效应解释了为什么在流体中旋转的物体会改变初始运动方向。要理解这种效应，不妨来看看足球在空中是如何突然变向的。

1996年，当时还是初出茅庐的贝克汉姆的一脚“世纪吊射”，让许多球迷永远记住了这位年轻的曼联中场球员。只见足球被贝克汉姆的右脚踢出后，迅速上升到超出球门框的高度，眼看就要飞过球门，谁知足球却突然改变角度，不可思议地在空中迅速下潜，飞入球网。贝克汉姆这招绝技靠的就是马格努斯效应。高速旋转的足球会在周围制造出空气涡流，而足球并非完美球体，其下凹的接缝处会在涡流中产生高压区，这些高压区相当于一个个小手，从空中推动足球，从而改变足球的运动轨迹。打水漂过程中，旋转的石头也会产生这种效应，从而改变石头的前进方向。