水漂 嫦娥五號在線教你如何打出完美“水漂”
出品：科普中國
制作：王志英
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
你小時候玩過打水漂的游戲嗎？
在小池塘邊拾起一塊扁平的石頭或瓦片，側(cè)著身，揮動手臂用力將石頭甩到水面上，那石子就在水面上不斷俯沖和躍起彈向池子的盡頭，在平靜水面上掀起一朵朵白色的浪花。
有時石頭能彈起三四次甚至十幾次，但若是將一塊沉重的石頭扔在水里，出現(xiàn)的只有沉悶的\"撲通\"聲和四濺的水花，一次也彈不起來。
文章插圖
打水漂照片｜圖片來源：veer圖庫為什么有的石頭能輕易打出水漂，有的則不行？
打水漂的奧妙究竟在哪里呢？沉入到水中的石頭又會有哪些運(yùn)動？
怎樣才能打出完美水漂？
要想成功打水漂，需要具備以下幾個條件：
【 水漂|嫦娥五號在線教你如何打出完美“水漂”】1. 選擇扁圓且厚度均勻的石頭；
2. 拋擲的時候力量要大且讓石頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；
3. 調(diào)整出手時石頭的角度，讓其盡量在接觸水面時是20°。
文章插圖
打水漂姿勢照片｜newton.com.tw/twoeggz.xom法國的物理學(xué)家發(fā)表在《Nature》上的文章揭示了成功打水漂的奧妙。
文中指出決定石頭彈跳次數(shù)主要有4個參數(shù)：石頭拋擲水平速度、轉(zhuǎn)速速度、石頭功角α，以及入水彈道角β。
而且hristophe Clanet教授給出了碟形石塊打水漂的夢幻攻角，即以20度攻角的姿態(tài)撞擊水面，碰撞時間最小因而能量損失最小，能夠得到理想的效果。
文章插圖
碟形石塊打水漂的力學(xué)模型及分析△α為攻角，β為入水彈道角（左）結(jié)果表明攻角為20度時具有最佳的彈跳效果（右），而彈道角大于45度后不會再產(chǎn)生彈跳
\"打水漂\"也曾多次得到重要的實際應(yīng)用。
二戰(zhàn)時期，盟軍希望攻擊德國魯爾工業(yè)區(qū)內(nèi)的水壩，在嚴(yán)密防守下通常的高空投彈和水下魚雷攻擊都一籌莫展。
英國發(fā)明家威利斯依據(jù)打水漂現(xiàn)象，發(fā)明了一種彈跳彈，飛機(jī)投下的炸彈在水面上跳過防御工事后在大壩上爆炸，最終盟軍采用這種方法成功摧毀了德國境內(nèi)的三座大壩。
文章插圖
威利斯的彈跳彈設(shè)計原始草圖（左）及使用效果照片（右）2020年12月17日凌晨，我國探月工程嫦娥五號返回艙利用打水漂原理在大氣層表面進(jìn)行\(zhòng)"太空打水漂\"方式返回，順利著陸。
返回艙在接近大氣層的時候，以較小的角度進(jìn)入，借助密度差產(chǎn)生的氣動升力躍出大氣層。地球引力使返回艙再次回落，產(chǎn)生又一次彈跳。
每一次彈跳，速度逐漸會降低，直到不再有足夠動能形成新的彈跳，而自由下落，返回地球。
\"太空打水漂\"技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)\"自然減速\"，且有助于降低返回段熱負(fù)荷問題，避開觸發(fā)\"燃燒\"的風(fēng)險，從而保證返回艙安全著陸。
文章插圖
嫦娥五號\"打水漂\"式回家｜圖片來源見水印Clanet教授同時還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入水彈道角大于45度，石塊會直接進(jìn)入水下而不產(chǎn)生彈跳。
從力學(xué)角度來看，物體以相對速度穿越水面的入水過程主要包括三個階段：接觸瞬時的砰擊、自由面大變形的開式空泡、開式空泡閉合后的水中運(yùn)動。
前者主要是沖擊動力學(xué)問題，而后兩方面往往表現(xiàn)為水動力與剛體運(yùn)動甚至結(jié)構(gòu)變形的耦合。入水的流動特征與物體形狀、姿態(tài)、入水角度、初速度乃至旋轉(zhuǎn)、表面特性等多種因素相關(guān)。
在開式空泡條件下，物體與水通常只有頭部小面積接觸，流動約束反力非常小，因而姿態(tài)通常不穩(wěn)定導(dǎo)致物體在水中劇烈旋轉(zhuǎn)。
文章插圖
小球入水的典型過程△a:入水沖擊和射流生成；b&c;: 形成與空氣連通的開式空泡和皇冠形飛濺；d: 空泡發(fā)生深閉合并形成垂向射流；e: 空泡發(fā)生表面閉合
自然界的入水\"標(biāo)兵\"，給了科學(xué)家什么啟發(fā)？
自然界和生物界也有形形色色的入水問題。
如翠鳥，鰹鳥等平時在空中飛行，發(fā)現(xiàn)獵物后會以近乎垂直的角度突然俯沖下來進(jìn)入水中，靠慣性入水并抓捕魚類。
那么，這些動物是如何做到姿態(tài)可控且軌道穩(wěn)定去捕捉魚類呢？
推薦閱讀
- 發(fā)射 相比較嫦娥4號來說，英稱這顆衛(wèi)星更具威脅，美方希望公開技術(shù)！
- 小行星 嫦娥五號被超越？日本宣布喜訊：3億公里外的“孩子”回到地球了
- 探月 嫦娥五號有多先進(jìn)？美國宇航局的態(tài)度說明一切 快分享數(shù)據(jù)
- 艾特 嫦娥四號發(fā)現(xiàn)2500公里盆地，藏2100萬億噸異物，月背隱藏了什么
- 啟蒙 六一給小朋友的禮物～啟蒙keeppley長征五號運(yùn)載火箭
- 月球 探月“三步走” 收官“有看頭”--中國探月工程嫦娥五號任務(wù)正式啟航
- 探測器 這才是月球背面真實的樣子中國嫦娥四號拍攝的月球背面照片
- 顧香蘭 肖戰(zhàn)《如夢之夢》，許晴夸肖戰(zhàn)演的五號病人是美、強(qiáng)、慘
- 火星車 “一箭雙星”宣布失敗！2顆衛(wèi)星下落不明，24.5億人民幣打水漂
- 探測器 嫦娥五號去月球挖氦3，美國40年前阿波羅登月，花了多少資金？！