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哎呀！他的鱼雷跳过我的防线啦！——打水漂的原理与应用

打水漂是一个跨越地域、文化和时代的古老游戏，可以说只要在靠近水边的地方，就能看到这种让石子在水面上弹跳的小游戏。千万别小看这个看起来只是杀时间的消遣，不少人还真的靠打水漂玩出名堂，每年在世界各地都会举办正式的「打水漂锦标赛」，看谁能让石子在水面上弹跳最多次，或者弹跳最远。打水漂虽然只是个小游戏，但它背后的科学原理其实已应用到许多领域，接下来让我们一起看看，打水漂的科学吧！

如何打好水漂，先问问世界冠军吧！

俗话说：「站在巨人的肩膀上，能看得更远。」要想知道怎么打好水漂，参考打水漂的顶尖高手是最快的。

目前能让石子在水面上弹跳最多次的世界纪录，由美国人 Kurt Steiner 在 2013 年创下，而这个次数颇为惊人，他能让石头在水面上弹跳 88 次！会打水漂的你是否觉得自己跟他差得远了？

世界纪录保持人 Kurt Steiner 打水漂的英姿。Giphy

那要如何打好水漂呢？Kurt Steiner 也毫不吝啬地公开自己的诀窍：

大部分人在使用 Steiner 的诀窍后，打水漂的成绩都有显著提升。而当科学家深入研究打水漂后，就发现 Steiner 的诀窍其实与科学原理相呼应。

打水漂的科学原理

打水漂，或者说为什么将石头丢向水面，能让石头在水面上不断地弹跳呢？这其中需要考虑的因素非常多，从流体力学、牛顿力学、摩擦力、重力等都有涉及，下面是简化后的示意与原理。

当石头被投出时，它会因地心引力逐渐下降而撞击到水面。根据 牛顿第三运动定律 ，当石头撞击水面时会将水往下推，而水也会产生一个反作用力将石头向上推回去。 这个反作用力由石头对水产生的压力与石头和水的接触面积所决定 ，当这个反作用力超过石头的重量时，就能将石头向上弹离水面。另外由于石头的尾部会先撞击水面，让水面会形成一个斜面，而这个斜面会改变水对石头的反作用力，让石头倾斜地向上弹跳，而非垂直弹跳。

随后每一次弹跳都是重复上面的过程，只是随着石头不断撞击水面，其动能会越来越小，直到撞击水面后产生的反作用低于石头的重量时，弹跳便不再发生。

打水漂的示意图。U是石头对水的向下推力，F是水对石头产生的反作用力，S是石头与水的接触面积。Physics Today

而科学家根据理论计算，并透过高速摄影机观察成功的水漂后，得出了四个打水漂的关键因素：

定轴陀螺仪。Wiki 打水漂的黄金入射角 20 度。Daily Mail Online 圆形扁平的鹅卵石最适合打水漂。Amazon

而这四个经过科学实验与计算后得到的关键因素，与 Steiner 公开的诀窍几乎一致。不过即使知道关键，甚至以此建立的专业打水漂机，目前最多也只能让石头弹跳 50 次，和 Steiner 的纪录相比，仍是相差不少。可见「师父领进门，修行在个人。」

水漂打得好，战争没烦恼

你可能会觉得研究打水漂这种消遣小游戏背后的原理没什么用，但事实上，打水漂的原理已多次应用在战场上，并立下汗马功劳。

早在 16 世纪，英国海军就发现 将炮弹以够低的角度打在海面上 ，就能让炮弹在水面上弹跳，以此 加大炮弹的射程 。打水漂炮弹有时甚至能弹到敌舰的甲板上，对其造成毁灭性的打击，而这也成为英国海军的标准战法。

二次大战期间，英国人又再次将打水漂应用在战场上。

当时英国想摧毁德国的工业重镇——鲁尔工业区，以此斩断纳粹的武器供应。但英军始终无法突破德军的防守，以空袭的方式攻击鲁尔工业区。因此，英军将眼光转到鲁尔工业区上游，鲁尔河的三座水坝上。只要水坝一被打破，大量的水便会倾泄而出，顺着河流破坏下游的鲁尔工业区。

水坝溃堤，倾泻而出的水。Giphy

但想破坏水坝可没这么容易，水坝由厚实的混凝土建成，只有用 重型水下炸弹或大型鱼雷直接命中水坝 ，才可能将其炸毁。德军当然也知道水坝是鲁尔工业区的命脉，因此布下密集的防空火炮和水下防鱼雷网，这让英军的轰炸机不仅无法在够近的距离投下炸弹，连想投放鱼雷进行攻击都做不到。正当英军一筹莫展之际，英国的一位工程师—— 巴恩斯，沃利斯 在与孩子们玩打水漂时，从中获得灵感。

沃利斯运用打水漂的原理，设计出 弹跳炸弹 (Bouncing Bomb)。这种该炸弹呈圆桶形，在投下之前会以一定的速度旋转。当炸弹投下后，便在水面上以弹跳的方式前进，越过水下的防鱼雷网，直接命中水坝。在对炸弹经过多次测试与调整后，英国空军决定于 1943 年 5 月 16 日晚间，施实代号名为「惩戒行动」的作战。这次行动，弹跳炸弹成功破坏了鲁尔河的两座水坝，而随后的大水对鲁尔工业区造成巨大的破坏。

弹跳炸弹示意图。Wiki 水漂还能打上大气层？

如果你以为打水漂的原理只能用在水上，那真是看扁它了。事实上航太科学上也已应用该原理了。

当航太飞行器从外太空返回地球时，飞行器会与大气层摩擦产生高温，而这种高温对飞行器会造成巨大的伤害。要避免高温的伤害，让飞行器逐步降速进入大气层是一个不错的方法。当飞行器从外太空进入大气层时，大气层也会产生一个反作用将飞行器推回去。因此科学家们会让飞行器先在大气层先打打水漂，等飞行器的速度逐步降到安全范围后，再让飞行器进入大气层。如此不仅节省燃料，也能避免高温的伤害。而最近运用这个原理返回地球的航太飞行器，就是中国的嫦娥五号。

航太飞行器返回地球时，应用打水漂原理来降速的示意图。图/Scientists reveal how Stone Skipping Techniques can progress Reentry of Landing Aircraft

想不到看似简单的打水漂，竟然能延伸出这么多复杂的应用吧！其实不只打水漂，任何事只要我们研究的够深，常常都能在意想不到的地方让它开花结果。在我们的生活中也是如此，有时看似没用的兴趣，或许多下点功夫深入研究，也许有一天会给你意想不到的收获！

哎呀他的鱼雷跳过我的防线啦打水漂的原理与应用

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