打水漂背后的物理学

侧身弯腰,用力甩你的手腕，手中的石子沿水面飘荡出去……

有谁小时侯没玩过打水漂呢?打水漂是人类最古老的游戏之一，这种游戏规则相当简单：看谁的石子在水面跳跃的次数多。

科尔曼·麦吉，美国得克萨斯州人，一直保持着在1992年创造的当今吉尼斯世界纪录。当时麦吉抛出的石子穿过得克萨斯中部布兰科河，并在河上一直跳跃了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，越用力就越能导致更多弹跳水面的效果；而且石块在抛掷时必须旋转，同时石块需尽可能以较小掠射水面的角度沿水面飞行。但这里面有没有精确的物理学方程呢?

第一次对打水漂背后的物理学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，怎样打水漂可以打的更远呢?

向千千万万回答儿子问题的父亲一样，博凯博士将自己在小时候就精通的打水漂游戏亲身示范给儿子。看着石块在水面上留下的朵朵涟漪，物理学家的脑袋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。日后当记者采访他时，他说“我把打水漂作为一种有趣的业余爱好，而物理学能够帮助我们更好的理解日常生活。”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。

根据他的方程式，要想达到麦吉所创造的打水漂世界吉尼斯记录的顶峰——38下，要求一块石头以25英里／小时(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在20度的“黄金角度”撞击水面。

博凯的方程式还预言，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，并且提高弹跳机率；而且，弹跳次数多寡取决于入射水面石块的速度有多快，当然，这也取决于石块抛掷的初速。

但在实际上，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感制造了一台自动投掷机，利用自动投掷机将直径5公分、厚度2．75mm的铝制圆盘投入2公尺长的水池，用以模拟打水漂的过程，并用高速相机将整个实验纪录下来——飞碟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、石头面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空中的飞行姿态，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度时，石块就会在穿越水的过程中很快的消耗掉动能，当入水角度大于45度时，石块无论如何也不能再漂，而是直接掉到水里了，而石头面的触水角度若能保持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。

失去平衡现象研究所专门研究日常生活中一些不引人注意的稀奇古怪的问题，例如倒酒时瓶子发出的“汩汩”声有什么规律，水龙头滴下的水滴汇集成水流时是个什么过程。现在格兰尼特正与同事研究怎样能够沏出一杯“完美的茶”以及板球运动中的物理学。

打水漂理论的应用

科学家所作的打水漂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，也有一个在大气中“弹跳”的过程。

若航天器与大气的接触角度太小，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。它像一个套鞘似地包裹着返回舱。

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的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。