打水漂之終極奧義，如何科學地做到一擊必殺？

有人的地方，就會有打水漂。

幾乎每一種語言中，都有這麼個特殊名詞或短語用於形容「打水漂」。

美式英語稱之為「stone skipping」，英國俚語為「ducks and drakes」，法語則為「ricochet」，愛爾蘭語為「stone skiffing」，丹麥語為「smutting」。

這種古老的小遊戲，跨越了地域與文化隔離，讓全世界人民都為此樂不思蜀。

不過，我們還真別小看了這種鄉土味極濃的殺時間遊戲。

有的人同樣能玩出花樣，玩出名堂。

在世界範圍內，每年都會有各類正兒八經的打水漂錦標賽隆重開幕。

比賽規則也很簡單，就看誰的石子彈跳的次數最多，又或是跳得最遠。

所以，關於打水漂的吉尼斯世界紀錄，也屢屢被刷新，競爭十分激烈。

打水漂最多次的男人kurt Steiner

目前，打水漂彈跳次數的紀錄是由美國人kurt Steiner在2013年創下。

這個數字說出可能有點嚇人，他竟打出了88次彈跳的驚人紀錄。

而在今年的6月份，一位名為Dougie isaacs的英國男子，則打破了世界打水漂最遠的記錄，達121米遠。

因為他這次打的水漂實在太遠了，當時比賽的湖面還「差點不夠用」。

射得最遠的男人Dougie isaacs

對比一下自己運氣好時才能打出幾跳的水平，確實有些自愧不如。

那麼問題來了，這些奇人究竟怎麼做到的，難道打水漂還有訣竅不成嗎？

你別說，還真有科學家研究過如何才能打出一擊必殺的水漂，並給出了不少指導。

收下這份秘籍——雖然不保證你能打破世界紀錄。

但，起碼能讓你在普通人中脫穎而出。

在解讀秘籍前，我們先來溫習一下打水漂的原理。

當一塊石子被擲出去時，它就會以一定的速度飛向水面。

此時，在粘滯性的作用下，與石塊底部接觸的一部分液體會獲得與石頭相同的速度。

而這部分的液體，是比下層未與石頭接觸的靜止液體要快的。

根據伯努利定律可知，沿著一根流線，流體的速度越大，壓強也就越小。

於是，這兩部分不同速度的液體便會產生一個壓強差。

當向上的壓力足夠大的情況下，石頭就會克服向下的重力，產生一個向上的速度。

水漂，就是這樣誕生的。

但是，要如何恰到好處地讓石塊持續地在水面彈跳，則是另一個問題了。

投出去速度，石塊與水面夾角，石塊本身的形狀、重量、材料等統統都會影響到最後的結果。

「怎麼打水漂才能打得更遠？」

法國里昂大學的利德里克·博凱（Lyderic Bocquet）博士也真被這個問題問倒了。

為了回答自己8歲兒子，他決定用物理知識解開這個謎題。

經過多年的研究，這位科學家把業餘的愛好變成了一組打水漂方程式發表在了2003年的《美國物理學》上。

通過系統的試驗，博凱博士把打水漂成功的關鍵要素都列了出來。

天下武功，唯快不破。速度，正是打水漂的第一要義。

在拋擲石塊時，初速度必須超過某個臨界值，只有當速度超過2.5m/s時，彈跳才會發生。

每一次，石塊與水面碰撞都會損耗掉一定的能量，若能量太低石塊便會直接落入水面。

石塊的初始速度越大，也意味著石塊動能越大，能彈跳次數也就越多。

按照理論來說，若石頭的動能可以不發生損耗，這水漂就可能一直進行下去。

所以說手勁兒越大，你離創造打水漂世界紀錄就越近了一步。

當然除了力量以外，技巧才能讓打水漂事半功倍。

而20度，便是水漂界的「夢幻入射夾角」。

這個角度，可以將石頭與水面碰撞的時間降到最低。

而這也代表著石塊因與水面碰撞損耗的能量越小。

因此，石塊也儘可能地保留更多的能量做後續的彈跳。

這一點，也是最關鍵的。

因為只要控制好這個入射夾角，讓其盡量地接近於20度，石塊即可獲得最大化的打水漂效果。

而值得注意的是，這個夾角是絕對不能超過45度或接近零度。

不然你力氣再大，石頭也只會毫不留情面地「嗵」一聲沉入水底。

而讓石塊旋轉起來，則是另一個技術要點。

將石塊擲出去時，我們需要把它當做一個飛盤，賦予它一個自旋角速度。

這有些類似於陀螺儀的原理，旋轉石塊的飛行姿態會更加地穩定。

自旋速度越高，石塊運動也就越穩。

實際上，打水漂彈跳次數多寡，會受到許多不確定的因素影響。

而高速的自旋速度，則可以使石塊在一定程度上無視這些外力影響，保持最佳飛行姿勢。

若沒有自旋，石塊可能在第一次跳起後就已經被水面撞得東倒西歪，無法跳起第二次了。

最後一點，則要回歸石塊本身。

我們選擇打水漂用的石塊時，應盡量選擇較輕、更圓扁的那種鵝卵石。

當然，也不是越輕越好，因為石塊大部分運動軌跡還是在空氣中，因而也需要有一定的重量。

相對優秀的打水漂用鵝卵石

所以綜合上面的所有要素，我們就可得出：

去湖邊找一塊扁平的鵝卵石，找准20度的夢幻夾角，用盡吃奶的力氣，將其以高速自旋的姿態射入水面。

不過，知道這些秘訣後，離打出完美水漂還是有一定距離的。

因為即便有了理論，實踐起來也並不容易。

而如何精準控住身體，投擲出符合打水漂物理學的石塊，才是制勝重點。

這就好像普通人知道「香蕉球」怎麼踢，但就是成不了貝克漢姆，屬於一個道理。

但不要緊，腦子才是最好的東西。

博凱博士的這篇論文，很快就引起了馬塞大學Christophe Clanet的注意。

他和團隊就從中汲取靈感，一台自動打水漂機面世。

這台機器可以將直徑5公分、厚度2.75mm的鋁盤投入2公尺長的長池，用於模擬打水漂的過程。

而這整個過程，都將被高速相機完整記錄下來。

所以這個機器除了能打出漂亮的水漂以外，也進一步印證了博凱博士的理論是正確的。

自動打水漂機器實驗圖

事實上，當你還覺得打水漂只是個小遊戲時，有人早就應用該原理打過無數場漂亮仗了。

其中機智的英國人，正是將打水漂應用到戰事上的先驅。

早在16世紀，一名叫伯儒那英國海軍軍官就發現了，將炮彈打到水面上可以射得更遠，射程往往能增加2至3倍。

在這之後，英國的海軍們就常用這種方法來攻擊射程之外的目標了。

其中有記載的最高記錄是，一枚25千克的炮彈在水面上120m/s的速度在水面上彈跳了30下。

而早早嘗到了「打水漂」的甜頭，二戰期間英國更是精心炮製出了一種「跳彈」。

當時德國納粹最重要武器生產基地——魯爾重工業區，就是被這種會打水漂的炸彈摧毀的。

說魯爾工業區是德國崛起的搖籃就再最貼切不過了。

這裡不僅創造了令全世界都艷羨的財富，還生產出了各種優質的武器，是納粹德國叱吒戰場最大的幫凶。

魯爾重工業區

1943年，二戰的歐洲戰場正處於相持階段。

彼時，摧毀對方的戰鬥潛力便成了最重要的手段。

而在盟軍眼裡，魯爾重工業區就是重點打擊對象，必除之而後快。

但在多次空襲中，英國空軍都未能攻破德國人的防守。

所以，英國人只能把眼光放在魯爾河上游的三座大壩身上。

只有炸毀水庫大壩，魯爾重工業區便會陷入停產，下游居民點也會被淹沒。

然而，想要摧毀水壩也並非易事。

水壩本身就由混泥土澆注而成，只有超重型炸彈直接命中才有可能將其炸毀。

而且德軍還如保護命根子一樣，在大壩上設置了密集的防控火力。

英國空軍即便是派出最遠射程的轟炸機，也無法碰到大壩。

此外，水中更設多道防魚雷網，想要用魚雷的轟炸也不是辦法，計劃陷入了僵局。

巴恩斯·沃利斯

此時，一位名叫巴恩斯·沃利斯（Barnes Wallis）的航空工程師則巧妙地想到了對策。

他從打水漂中獲得了靈感，並發明了一種大射程的跳彈（bouncing bamb）。

這種跳彈呈圓桶形，發射之前會以一定速度旋轉。

在離水面18米的高度投下，這種特製的炸彈便能打著「水漂」，以彈跳前進的方式越過防魚雷網，命中水壩。

跳彈攻擊水壩示意圖

一切準備就緒，1943年5月16日晚，英國空軍的代號為「懲罰」秘密行動開始。

很快，魯爾水庫的兩座大壩被這種會打水漂的跳彈炸毀。

空襲過後，水災沖毀了25座橋樑，導致兩座發電站癱瘓。

其中，三分之一的軍工廠則停業數月之久，德國受重創。

而此戰的功臣沃利斯，也因此戰績被載入史冊。

被摧毀的水壩

現在科學家也重現了二戰時期這種跳彈攻擊大壩的過程。

先給跳彈一個旋轉速度

然後再投下

完美

看到這裡可能就有人會感嘆了，這莫不是人類史上最大型的打水漂現場？

還真不是。

比跳彈還要強大的打水漂現象，發生在地球的大氣層邊緣，主角則是航天器。

大氣由極稀薄到稠密，也可以看作一個流體的界面。

當航天器的返回艙以高速從空氣稀薄的太空返回地球時，也是會發生打水漂現象的。

高速的航天器穿越大氣層時，產生的高溫是致命的。

為了避免航天器因高溫受損，科學家也想出來了給航天器降溫的辦法。

就是讓航天器先在大氣外層先打打水漂，待速度降下來再正式進入大氣層。

這種方式也叫做「跳躍式再入返回」，我國的嫦娥五號就是這樣返回地球的。

所以下次打水漂被別人說幼稚時，你就可以說，我這是在研究航天技術返程問題呢。

*參考資料

stone skipping.Wikipedia

Lydéric Bocquet.The physics of stones kipping [J] .American Journal of Physics, 2003

Lionel Roselini， Fabien Hersen， Christophe Clanet，Lydéric Bocquet.Skipping stones[J].J. Fluid Mech.2005

胡海.會打水漂的炸彈和飛機[J].知識就是力量.2007

作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者

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