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科学家真玩起打水漂来,就没我们什么事了

科学家真玩起打水漂来,就没我们什么事了
2021年01月27日 17:00 新浪网 作者 中国科普博览

  你小时候玩过打水漂的游戏吗?

  在小池塘边拾起一块扁平的石头或瓦片,侧着身,挥动手臂用力将石头甩到水面上,那石子就在水面上不断俯冲和跃起弹向池子的尽头,在平静水面上掀起一朵朵白色的浪花。有时石头能弹起三四次甚至十几次,但若是将一块沉重的石头扔在水里,出现的只有沉闷的“扑通”声和四溅的水花,一次也弹不起来。

 打水漂照片(图片来源:veer图库)

  为什么有的石头能轻易打出水漂,有的则不行?打水漂的奥妙究竟在哪里呢?沉入到水中的石头又会有哪些运动?

  Part.1

  怎样才能打出完美水漂?

  要想成功打水漂,需要具备以下几个条件:

  1. 选择扁圆且厚度均匀的石头;

  2. 抛掷的时候力量要大且让石头进行旋转;

  3. 调整出手时石头的角度,让其尽量在接触水面时是20°。

  打水漂姿势照片(newton.com.tw/twoeggz.xom)

  法国的物理学家发表在《Nature》上的文章揭示了成功打水漂的奥妙,文中指出决定石头弹跳次数主要有4个参数:石头抛掷水平速度、转速速度、石头功角α,以及入水弹道角β。且Christophe Clanet教授给出了碟形石块打水漂的梦幻攻角,即以20度攻角的姿态撞击水面,碰撞时间最小因而能量损失最小,能够得到理想的效果。

碟形石块打水漂的力学模型及分析(左图:α为攻角,β为入水弹道角;右图:结果表明攻角为20度时具有最佳的弹跳效果,而弹道角大于45度后不会再产生弹跳)

  “打水漂”也曾多次得到重要的实际应用。

  二战时期,盟军希望攻击德国鲁尔工业区内的水坝,在严密防守下通常的高空投弹和水下鱼雷攻击都一筹莫展。英国发明家威利斯依据打水漂现象,发明了一种弹跳弹,飞机投下的炸弹在水面上跳过防御工事后在大坝上爆炸,最终盟军采用这种方法成功摧毁了德国境内的三座大坝。

  威利斯的弹跳弹设计原始草图(左)及使用效果照片(右)

  2020年12月17日凌晨,我国探月工程嫦娥五号返回舱利用打水漂原理在大气层表面进行“太空打水漂”方式返回,顺利着陆。返回舱在接近大气层的时候,以较小的角度进入,借助密度差产生的气动升力跃出大气层。地球引力使返回舱再次回落,产生又一次弹跳。每一次弹跳,速度逐渐会降低,直到不再有足够动能形成新的弹跳,而自由下落,返回地球。“太空打水漂”技术,能够实现“自然减速”,且有助于降低返回段热负荷问题,避开触发“燃烧”的风险,从而保证返回舱安全着陆。

嫦娥五号“打水漂”式回家(图片来源见水印)

  Clanet教授同时还发现,当入水弹道角大于45度,石块会直接进入水下而不产生弹跳。从力学角度来看,物体以相对速度穿越水面的入水过程主要包括三个阶段:接触瞬时的砰击、自由面大变形的开式空泡、开式空泡闭合后的水中运动。前者主要是冲击动力学问题,而后两方面往往表现为水动力与刚体运动甚至结构变形的耦合。入水的流动特征与物体形状、姿态、入水角度、初速度乃至旋转、表面特性等多种因素相关。在开式空泡条件下,物体与水通常只有头部小面积接触,流动约束反力非常小,因而姿态通常不稳定导致物体在水中剧烈旋转。

  小球入水的典型过程(a:入水冲击和射流生成;b&c: 形成与空气连通的开式空泡和皇冠形飞溅;d: 空泡发生深闭合并形成垂向射流;e: 空泡发生表面闭合)

  Part.2

  自然界的入水“标兵”,给了科学家什么启发?

  自然界和生物界也有形形色色的入水问题,如翠鸟,鲣鸟等平时在空中飞行,发现猎物后会以近乎垂直的角度突然俯冲下来进入水中,靠惯性入水并抓捕鱼类。那么,这些动物是如何做到姿态可控且轨道稳定去捕捉鱼类呢?

  研究发现这些以鱼为食的鸟类通常具有尖锐的喙和细长的脖子,入水前翅膀夹紧身体像箭一般刺入水中,最大限度地优化自身入水的水动力学特性,且翠鸟入水通常只会激起非常小的水花,这样便可在入水后保持更快的速度、潜入更深的水中以提高捕食到鱼类的机会。入水之后通过调整翅膀的伸展控制姿态,迅速捕食猎物。

翠鸟入水过程照片(左图:入水前空中姿态;右图:入水后姿态控制及空泡形态)(图片来源:veer图库)

  科学家非常关心这些水鸟如何在高速入水的过程中不受到伤害。一项发表在《美国科学院院报》的研究通过对一种北方塘鹅(northern gannet)的标本进行入水实验,发现海鸟在入水之前会努力收缩肌肉,通过肌腱保持骨头的稳定性使脖子伸直,以降低入水产生的巨大冲击载荷导致的受伤风险。

  由此,科学家们建立了海鸟入水的安全速度理论预测模型,并为人类的活动提供了参考。比如中国跳水“梦之队”运动员入水,身体与水面垂直时激起的水花最小,这样看起来与翠鸟的入水姿态有几分相似。

  跳水比赛运动员入水前姿态和入水后的水花

  这种自然界和生活中的入水现象也被成功应用于实际工程中。

  MIT的Tadd Truscott教授通过优化弹头的形状,使子弹始终贴在空泡表面的一侧从而获得稳定弹道。英国帝国理工学院研制的“塘鹅”入水飞行器,在空中飞翔时会保持为“固定翼”的状态。当要入水时,先把机翼收起折叠成一条细线,再模仿塘鹅捕食时的姿态俯冲入水。类似的工程问题还包括水上飞机的着陆,航天器水上降落和回收等等。

  针对入水弹道稳定性的子弹形状优化(a:常规子弹入水弹道失稳旋转;b:优化后子弹形状弹道保持稳定;c:子弹形状对比;d:优化子弹入水空泡的理论与实验分析)

英国帝国理工学院研制的AquaMav(塘鹅)跨介质飞行器样机(左图:样机入水照片;右图:真实塘鹅入水照片)

  不难发现,入水后物体的运动,仍与力学原理息息相关。

  老子的《道德经》中讲,故恒无欲也,以观其眇(妙);恒有欲也,以观其所噭。意思是说,平常要处于一种“无欲”的状态,去观察大自然和生活中有趣的问题,然后再进入“有欲”的阶段,通过人本能的求知欲来寻找现象背后的奥秘。

  所以,如果我们能够善于在日常观察中寻找科学发现契机,采用严谨认真的分析归纳出一般规律,就能够更好地运用这些规律解决实际问题。

  参考文献:

  [1]Clanet C, Hersen F, Bocquet, L. Secrets of successful stone-skipping. Nature,2004, 427(6969):29-29.

  [2]Rosellini L, Hersen F, Clanet C, et al. Skipping stones. Journal of FluidMechanics, 2005, 543:137-146.

  [3] https://www.manstonhistory.org.uk/dambuster-bouncing-bomb-tests-at-reculver-and-manston

  [4]Truscott T T, Epps B P, Belden J. Water Entry of Projectiles. Annual Reviewof Fluid Mechanics, 2014, 46:355-378.

  [5]Chang B, Croson M, Straker L, et al. How seabirds plunge-dive without injuries.Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016. 113: 12006-12011.

  [6]https://dronesplayer.com/uav-drone

  出品:科普中国

  制作:王志英

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  (本文中标明来源的图片已获得授权)

  本文来源于”中国科普博览“公众号(kepubolan),转载请注明公众号出处

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