打水漂背後的物理學

側身彎腰,用力甩你的手腕，手中的石子沿水面飄蕩出去……有誰小時侯沒玩過打水漂呢?打水漂是人類最古老的遊戲之一，這種遊戲規則相當簡單：看誰的石子在水面跳躍的次數多。科爾曼?麥吉，美國得克薩斯州人，一直保持著在1992年創造的當今吉尼斯世界紀錄。當時麥吉拋出的石子穿過得克薩斯中部布蘭科河，並在河上一直跳躍了38下。想要嘗試擊敗麥吉嗎?看了這篇文章，你就有機會學會最棒的打水漂的方法，因為法國科學家的研究揭開了打水漂的奧秘。而這個奧秘的揭開卻是由一對父子的對話引起的。

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父子對話引發的物理學發現

直覺似乎告訴人們，使用扁平略圓的石塊拋向水面，越用力就越能導致更多彈跳水面的效果；而且石塊在拋擲時必須旋轉，同時石塊需儘可能以較小掠射水面的角度沿水面飛行。但這裡面有沒有精確的物理學方程呢?

第一次對打水漂背後的物理學感興趣來源於科學家與他8歲兒子的對話。一天法國里昂大學利德里克?博凱博士和8歲的兒子出去散步，在一條河邊兩個人玩起了打水漂，兒子問他，怎樣打水漂可以打的更遠呢?向千千萬萬回答兒子問題的父親一樣，博凱博士將自己在小時候就精通的打水漂遊戲親身示範給兒子。看著石塊在水面上留下的朵朵漣漪，物理學家的腦袋冒出了一個離奇的想法：為什麼不用物理學的知識把打水漂的過程搞清楚呢?於是這位物理學家開始了艱苦的研究。日後當記者採訪他時，他說「我把打水漂作為一種有趣的業餘愛好，而物理學能夠幫助我們更好的理解日常生活。」後來這位科學家的業餘愛好變成了一組研究打水漂的方程式發表在2002年的《美國物理學季刊》上。根據他的方程式，要想達到麥吉所創造的打水漂世界吉尼斯記錄的頂峰——38下，要求一塊石頭以25英里／小時(每小時40公里)、每秒14轉的方式拋出，而真正的秘訣在於你扔的石頭應當在20度的「黃金角度」撞擊水面。

博凱的方程式還預言，石塊彈跳，只有在拋擲的初速超過某個臨界值時才會發生，旋轉的石塊能使飛行穩定，並且提高彈跳機率；而且，彈跳次數多寡取決於入射水面石塊的速度有多快，當然，這也取決於石塊拋擲的初速。但在實際上，彈跳次數受角度不穩定因素限制，角度不穩定因素與運動速度無關，因而彈跳次數取決於對繼續飛行至關重要的第一次彈跳。

發明自動投擲機

這篇論文得到了馬賽大學失去平衡現象研究所格蘭尼特的注意，他和他的學生從這篇論文中汲取了靈感製造了一台自動投擲機，利用自動投擲機將直徑5公分、厚度2．75mm的鋁製圓盤投入2公尺長的水池，用以模擬打水漂的過程，並用高速相機將整個實驗紀錄下來——飛碟接觸水面的時間通常不到百分之一秒。實驗印證了博凱的發現是正確的。實驗證明：石頭是否旋轉、速度、石頭面的觸水角度都會影響石頭的彈跳次數，其中旋轉的程度是打水漂關鍵因素之一，研究者發現，旋轉可以穩定石塊在空中的飛行姿態，使其更容易反彈，而角度則是關鍵中的關鍵，當石塊沿著與水面呈20度夾角飛行的時候，石塊總是能夠跳躍很遠，當石塊入水的角度小於20度時，石塊就會在穿越水的過程中很快的消耗掉動能，當入水角度大於45度時，石塊無論如何也不能再漂，而是直接掉到水裡了，而石頭面的觸水角度若能保持20度左右，不僅能以最小的速率(2．5米／秒)打出水漂，還可以使石頭與水面碰觸的時間降到最低，這代表因碰撞消耗的能量較小，有更多的能量保留做後續的彈跳。失去平衡現象研究所專門研究日常生活中一些不引人注意的稀奇古怪的問題，例如倒酒時瓶子發出的「汩汩」聲有什麼規律，水龍頭滴下的水滴彙集成水流時是個什麼過程。現在格蘭尼特正與同事研究怎樣能夠沏出一杯「完美的茶」以及板球運動中的物理學。

打水漂理論的應用

科學家所作的打水漂實驗有著十分重要的實際意義。它可以幫助物理學家模擬航天器重返地球時進入大氣的過程：當航天器從空氣稀薄的太空重返地球，進入「濃密的」大氣層時，它的運動方式就與打水漂有幾分類似，也有一個在大氣中「彈跳」的過程。若航天器與大氣的接觸角度太小，航天器會像水漂一樣被彈回太空。舉例來說，飛船的返回艙在返回過程中，到一定的高度，就會進入一個所謂的科學上叫「黑障區」的階段，這是因為飛船返回艙在以超高速進入大氣層時會產生激波，形成溫度高達幾千攝氏度的高溫區。高溫區內的氣體和返回艙表面材料的分子被分解和電離，形成一個等離子區。它像一個套鞘似地包裹著返回艙。因為等離子體能吸收和反射電波，會使返回艙與外界的無線電通信衰減，直至中斷。這時返回艙靠自身的控制系統，按照一定的程序返回地面；再到一定高度以後，就可恢複測控，地面就可以與航天員建立通信聯繫，因此打水漂實驗將幫助物理學家更準確地模擬航天器回收過程，根據模擬的結果更精確的設定航天器進入大氣層的角度和速度，降低「黑障區」階段的系統風險，提高回收的成功率。看來小小的打水漂，蘊藏的學問還真不小。

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