打水漂背后的物理学

侧身弯腰，用力甩你的手腕，手中的石子沿着水面飘荡出去……有谁小时候没玩过打水漂呢？打水漂是人类最古老的游戏之一，这种游戏相当简单：看谁的石子在水面跳跃的次数多。科尔曼•麦吉，美国德克萨斯州人，一直保持着在1992年创造的当今这项游戏的吉尼斯世界记录。当时麦吉抛出的石子在布兰科洒上一直跳跃了38下。想要尝试击败麦吉吗？看了这篇文章，你就有机会学会最棒的打水漂的方法，因为法国科学家的研究揭开了打水漂的奥秘。而这个奥秘的揭开却是由一对父子的对话引起的。

父子对话引发的物理学发现

直觉似乎告诉人们，使用扁平略圆的石块抛向水面，越用力就越能让石子在水面有更多弹跳；而且石块在抛掷时必须旋转，同时石块要尽可能以较小掠射水面的角度沿水面飞行。这里面有没有精确的物理学原理呢？

第一次结打水漂背后的物理原理感兴趣来源于科学家与他8岁儿子的对话。一天法国里昂大学利德里克•博凯博士和8岁的儿子出去散步，在一条河边两个人玩起了打水漂，儿子问他，怎样打水漂可以打得更远呢？像千千万万回答儿子的问题的父亲一样，博凯博士将自己在小时候就精通的打水漂游戏亲自示范给儿子。看着石块在水面上留下的涟漪，物理学家冒出了一个离奇的想法：为什么不用物理学的知识把打水漂的过程搞清楚呢？于是这位物理学家开始了艰苦的研究。后来这位科学家的业余爱好变成了一组研究打水漂的方程式，发表在2002年的《美国物理学》季刊上。根据他的研究，要想达到麦吉所创造的打水漂吉尼斯纪录的顶峰——38下，要求一块石头以25英里/小时（约每小时40公里）、每秒14转的方式抛出。而真正的秘诀在于你扔的石头应当以20度的“黄金角度”撞击水面。

博凯有研究还表明，石块弹跳，只有在抛掷的初速超过某个临界值时才会发生，旋转的石块能使飞行稳定，并且提高弹跳几率；而且，弹跳次数多寡取决于入射水面石块的速度，当然，这也取决于石块抛掷的初速。但实际上，弹跳次数受角度不稳定因素限制，角度不稳定因素与运动速度无关，因而弹跳次数取决于对继续飞行至关重要的第一次弹跳。

发明自动投掷机

这篇论文得到了马赛大学失去平衡现象研究所格兰尼特的注意，他和他的学生从这篇论文中汲取了灵魂制造了一台自动投掷机，利用自动投掷机将直径5厘米、厚度2.75毫米的铝制圆片投入2米长的水池，用以模拟打水漂的过程，并用高速相机将整个实验记录下来——圆片接触水面的时间通常不到百分之一秒。实验印证了博凯的发现是正确的。实验证明：石头是否旋转、速度、石头的触水角度都会影响石头的弹跳次数，其中旋转的程度是打水漂关键因素之一，研究者发现旋转可以稳定石块在窜的飞行姿态，使其更容易反弹。而角度则是关键中的关键，当石块沿着与水面呈20度夹角飞行的时候，石块总是能够跳跃很远，当石块入水的角度小于20度的时候，石块就会在接触水面的过程中很快地消耗掉动能，当入水角度大于45度时，石块无论如何也不能再向前弹，而是直接掉到水里了，而石头的触水角度基能保持在20度左右，不仅能以最小的速率（2.5米/秒）打出水漂，还可以使石头与水面碰触的时间降到最低，这代表因碰撞消耗的能量较小，有更多的能量保留做后续的弹跳。

打水漂理论的应用

科学家所做的打水漂的实验有着十分重要的实际意义。它可以帮助物理学家模拟航天器重返地球时进入大气层的过程：当航天器从空气稀薄的太空重返地球，进入“浓密的”大气层时，它的运动方式就与打水漂有几分类似，也有一个“弹跳”的过程。若航天器与大气层的接触角度太小，航天器会像水漂一样被弹回太空。举例来说，飞船的返回舱在返回过程中，到一定的高度，就会进入一个所谓的科学上叫“黑障区”的阶段，这是因为飞船返回舱在以超高速进入大气层时会产生激波，形成温度高达几千摄氏度的高温区。高温区内的气体和返回舱表面材料的分子被分解和电离，形成一个等离子区。它像一个套鞘似的包裹着返回舱。因为等离子体能吸收和反射电波，会使返回舱与外界的无线电通信衰减，直至中断。这时返回舱靠自身的控制系统，按照一定的程序返回地面；再到一定高度以后，就可恢复测控，地面就可以与航天员建立通信联系，因此打水漂实验将帮助物理学家更准确地模拟航天器回收过程，根据模拟的结果更精确地设定航天器进入大气层的角度和速度，降低“黑障区”阶段的系统风险，提高回收的成功率。看来小小的打水漂，蕴藏的学问还真不小。