科学有意思 | 有些人表面是在打水漂,背地里却……

教育   2024-11-24 15:11   广东  
结果

魔力科学小实验

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今天关于打水漂的文章,给大家分享了2个视频。

© Mark Rober 翻译剪辑 :魔力科学小实验

打水漂,你一定玩过吧,那你的最高弹跳纪录是多少呢?5次、10次、15次……还是更多?

据说,只要你的弹跳纪录超过25次,你就有资格进入职业选手俱乐部了。What?打水漂也能成为一种职业?


有人还真和打水漂较上劲了。目前,世界上最高的记录保持者是一个叫做 Kurt Steiner 的美国人,他曾经在2013年创造了88次弹跳的打水漂世界记录。我找到了这段视频,分享给大家看看。


既然有实践派,或许相应就会有理论派。于是,我好奇地上网检索了一下,结果还真出来一大堆关于打水漂的学术论文。

说它是门技术活,其实一点都不为过。当然,只有回顾了自己打水漂的经历,才能真正理解“技术活”一词背后的深意。

在一个风和日丽的早晨,湖面烟波浩渺如梦如幻,散布湖边的你,随手捡起一片平滑的石块,身体后倾凹出最帅气的姿势,随即用力一掷,只听湖面传来“咚”的清脆一声,石块直接投湖沉底,当面“死”给你看……

当然,打水漂的“死法”不止这一种,有科学家还专门用高速相机记录过各种“死法”


话说回来,石头如何实现“水上漂”?

万事万物,都有其运行规律,打水漂也一样。说白了,还是得从客观物理规律入手

当一块具有弹跳潜力的石头片打入水中后,会对水面向下挤压,此时与石片底部接触的液体保持与石片相同的速度,未与石片接触的液体保持静止。

根据伯努利原理, 流速大的地方压强小,两部分液体压强差使石片存在一个向上的推力,压强差越大,推力就越大,石头就会被弹起。在石片跳跃多次之后速度会减慢,导致压强差减小,向上推力就变小,最后石片就会沉入水底。


在深入研究了打水漂的物理原理后,前NASA工程师Mark Rober带领自己的侄子侄女们一起制作了一个专业的打水漂机器人。视频在文首已经展示了。

为此,他还总结了4个重要的影响因素,掌握这4个技巧,打水漂就变得So easy!

1 黄金20度

让石片相对于水面的角度大约保持在20度,这是石片相对于水面的最佳角度。这样,它会形成一个斜坡,并利用它向前的冲力滑上斜坡,最后从水中反射出去,从而实现跳跃。


2 还是黄金20度角

很多人认为要想打水漂弹跳次数多,一定要尽量贴着水面投掷石块。比如这样:


其实,正确的姿势是这样:


换句话说,尽量让石块接触水面时的角度大约为20度。角度太小,能量损耗太大,角度太高如超过45度,石头直接沉底。此外,需要从一定的高度扔。因为保持适当的高度,可以给石块更多的重力势能。这就好比从较高的地方扔篮球,篮球弹跳的次数会更多是一个道理。


3 让石头高速旋转

如你所知,旋转的东西更稳定,比如陀螺,这是因为它们有更大的角动量遏制它倒下,因此尽量让石块高速旋转起来。


4 在重量和扁平度间找到平衡

只要不超过胳膊的承受范围,重量大一点的石块比轻一点的石块弹跳次数会更多,因为整个系统的能量会更大。当然,石块的形状也有影响,尽量选扁平点的成功率会大大提高。


当然,目前市场上已经有很多“作弊工具”。据说,有个实验室和美国海军合作,专门研究那些可以让物体更好地在水面运动的方法,为此他们研制出一种特别适合打水漂的人造球(没错,真是球状),并且给它取名叫waboba(哇啵霸?)

对它来讲,不需要什么黄金20度角,随便一扔都能出现打水漂的效果,够神奇吧!

说到这里,很多人会觉得都是停止发育的成年人了,研究打水漂是不是有点太幼稚?其实不然,打水漂这个事情还真的有实际用途,最典型的就是用它来打水仗了

二战时,英国工程师巴恩斯·沃利斯就利用打水漂的原理制造躲避水下鱼雷的水上武器的方法。后来,他为英国皇家空军设计了弹跳炸弹,成功让直径1.5米,长2.5米,重达4.5吨的水桶型炸弹,炸毁德国鲁尔河的默讷大坝。

剑桥大学工程师 Hugh Hunt 再现弹跳炸弹打大坝的过程:


除了打水仗,导弹、航天飞机在大气层中的运动方式就与打水漂有几分类似,合理利用“弹跳”功能,在节省燃料、提高速度方面有实际意义,嫦娥五号就是利用“太空打水漂”的方式返回地球的。

所以,平时有空,在注意安全的情况下,多陪陪孩子打水漂吧~

参考资料:
https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.2631
图片源于网络或视频截图,侵删



玩过打水漂的点个在看↘

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