這個(gè)”打水漂“可不是什么努力都白費(fèi)了的意思哦，而是一項(xiàng)世界各地人民都喜歡的岸邊水上運(yùn)動(dòng)。

要說(shuō)有多喜愛(ài)呢，北美甚至于1989年在德克薩斯州成立了“打水漂協(xié)會(huì)”，舉行打水漂錦標(biāo)賽，跳躍次數(shù)最多者取勝，而蘇格蘭每年也會(huì)舉辦相關(guān)的比賽，但是獲勝條件不太一樣，是飛的遠(yuǎn)的獲勝（你想不想整個(gè)冠軍？）。

可見(jiàn)大家對(duì)打水漂這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的喜愛(ài)。

江湖上有句很流行的話：“有人的地方就有江湖?！?/p>

而我們“水漂界”也有一句話：“有水的地方就有水漂！”

打水漂也能發(fā)Nature？

大家可能就要問(wèn)了，這打水漂還能玩到什么境界？

（玩出什么花來(lái)）

那你就大錯(cuò)特錯(cuò)了！

如果我們沒(méi)有掌握一定的技巧，那可能僅僅就是

一個(gè)水花，跳水最后得分，10分，哇！??！

不好意思，走錯(cuò)片場(chǎng)了。

而世界吉尼斯紀(jì)錄保持者Kurt Steiner打水漂記錄是88次。

而打水漂掠過(guò)距離最長(zhǎng)的世界紀(jì)錄保持者Dougie Isaacs劃出了121.8米的距離。[1]?

然后我看了看我打出的一個(gè)水花

難過(guò)的留下了眼淚

痛定思痛之后

我決定好好研究一下

弄清楚里面的物理過(guò)程

并準(zhǔn)備寫(xiě)一篇名為《論如何科學(xué)的打水漂》的論文

并爭(zhēng)取發(fā)表在《宿舍學(xué)報(bào)》上

（總覺(jué)得我在瞎研究）

結(jié)果

我用關(guān)鍵字搜索了一下與水漂相關(guān)的論文

（誰(shuí)會(huì)研究這個(gè)嗎？）

突然

一篇2004年的Nature印入了我的眼簾

什么？？？

這東西還能發(fā)Nature？

我揉了揉眼睛，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有看錯(cuò)

算了，《宿舍學(xué)報(bào)》計(jì)劃宣布破產(chǎn)，先學(xué)一下技術(shù)

這篇Nature通過(guò)大量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)打水漂的最優(yōu)解，也就是當(dāng)石頭圓盤(pán)的平面與水面的夾角為20°時(shí)，是打水漂的最佳角度。[3]?

不過(guò)這是為什么，這篇文章沒(méi)有給出合理的解釋。

如何才能打出一個(gè)完美的水漂？

而第二年的一篇PRL，通過(guò)數(shù)值模擬，給出了理論解釋?zhuān)?/p>

通過(guò)對(duì)水漂過(guò)程中石頭-水平面進(jìn)行建模，給出了和上面那篇Nature相同的結(jié)論，即20°角確實(shí)可以讓水漂表現(xiàn)最好。[4]

那么除了這個(gè)角度之外，打水漂還需要哪些參數(shù)，才能把這個(gè)水漂打的又遠(yuǎn)彈跳次數(shù)又多呢？

按照經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，肯定初始速度越大越好，因?yàn)樵谂鲎菜娴倪^(guò)程中會(huì)損失一定的能量，相同情況下，初始平動(dòng)動(dòng)能大的飛的遠(yuǎn)。而有一篇名為《Continual skipping on water》的文獻(xiàn)中，證實(shí)如果石頭可以維持水平速度，那么這個(gè)水漂將會(huì)一直進(jìn)行下去（是不是感覺(jué)在哪里見(jiàn)過(guò)類(lèi)似的結(jié)論？）。[5]

石頭飛出手時(shí)，最好可以自帶旋轉(zhuǎn)，這樣可以讓石頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持一定的穩(wěn)定性，這其中主要是利用了陀螺儀的原理，并且由于陀螺效應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)而不會(huì)出現(xiàn)偏差（大霧）。[6]

陀螺儀是一種由輪子或者圓盤(pán)組成的組成的裝置，它可以圍繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而軸的方向不受傾斜的影響。重力對(duì)旋轉(zhuǎn)盤(pán)平面的影響導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸“偏轉(zhuǎn)”，而施加在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上的有效扭矩（是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的一種特殊的力矩）對(duì)角動(dòng)量矢量也有影響。最終使得整個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在重力和其自身角動(dòng)量矢量的影響下找到了平衡，從而維持了一定的穩(wěn)定性。

而且文獻(xiàn)中也提出，石頭的形狀最好是圓盤(pán)形狀。[6]

綜上，所有的條件基本都給出了：

圓盤(pán)狀的石頭，20°的角度，自旋角速度越大越好，初始速度（拋射速度）越大越好。

所以記住了這些訣竅的小伙伴，一個(gè)小池塘可能已經(jīng)滿足不了諸位小伙伴了。

趕緊找片大海練練手吧，不過(guò)一定要注意安全昂！

是不是還有一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題沒(méi)有解決？那就是水漂為什么會(huì)飛起來(lái)！

當(dāng)石頭以一定角度將水向下推的時(shí)候，水面給的反作用力使其豎直速度反向，并損耗一定的能量，而之后繼續(xù)飛的石頭是以與飛盤(pán)相似的方式產(chǎn)生升力，而這與水的表面張力幾乎沒(méi)有關(guān)系。?[1]

研究水漂有什么用？

不知不覺(jué)，竟然參考了這么多文獻(xiàn)，其中竟然還包括Nature。那么研究打水漂肯定不光光是為了好玩吧。

那么，問(wèn)題來(lái)了：打水漂有什么用嗎？

當(dāng)然有用，而且甚至在戰(zhàn)爭(zhēng)中被用到了武器上。

在帆船時(shí)代，由于火炮動(dòng)力不足，鐵質(zhì)的炮彈飛行距離過(guò)小。這時(shí)候就有一部分人發(fā)現(xiàn)，可以讓炮彈通過(guò)這種“打水漂”的方式。無(wú)形中增加了射程，也大大增加了獲勝的幾率。畢竟對(duì)方還碰不到自己的時(shí)候，已經(jīng)打中了對(duì)方帆船，甚至擊沉對(duì)方。

而威廉·伯恩更進(jìn)一步，他通過(guò)研究第一個(gè)提出：如果炮彈能夠以足夠低的角度發(fā)射出去，將會(huì)到達(dá)更遠(yuǎn)距離。[7]

而在二戰(zhàn)時(shí)期，英國(guó)工程師也開(kāi)發(fā)了一種類(lèi)似的武器，這種武器在撞擊前以極快的速度旋轉(zhuǎn)，從而在水面上移動(dòng)，最終炸毀了德國(guó)關(guān)鍵的水壩。

那這又是什么？

小編發(fā)現(xiàn)有人去了位于塔斯馬尼亞的戈登壩，此壩高約126.5米，是不是可以在上面試一下高空水漂？（疑問(wèn)）

可以看到，當(dāng)不給籃球任何初始變動(dòng)時(shí)，雖然在風(fēng)的作用下，有一些搖擺，但是最終差不多直直的落了下去，與水還有很遠(yuǎn)的距離，那還打個(gè)啥的水漂？

如何才能夠得到水呢？使勁直直的扔過(guò)去？感覺(jué)不是那么優(yōu)雅。要不，就給籃球加一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)？

而當(dāng)給籃球加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)之后，一切都不一樣了。籃球在空中劃過(guò)了一道弧線，并最終在水上打出了漂亮但是聲音巨大的“水漂”。（啊喂，這個(gè)球誰(shuí)去撿一下？）

這又是為什么呢？原來(lái)這其實(shí)是受一種物理效應(yīng)—馬格納斯效應(yīng)的影響。這一效應(yīng)是由德國(guó)科學(xué)家馬格納斯于1952年發(fā)現(xiàn)的，故以此命名。

該效應(yīng)會(huì)影響空中飛行的球體或者圓柱體，小球獲得一定的速度后，下方的氣體流向與旋轉(zhuǎn)方向相同，因此氣流被球所偏轉(zhuǎn)，并作用于球上。而上方的氣流與球的旋轉(zhuǎn)方向相反。最終結(jié)果是：球?qū)⒁粋?cè)（上方）空氣推開(kāi)，同時(shí)氣流又產(chǎn)生了等大的反向作用力，小球的軌跡就會(huì)發(fā)生變化。[8]

馬格納斯效應(yīng)讓我們可以在高空優(yōu)雅的打水漂。

雖然早在200多年前，牛頓類(lèi)似的解釋過(guò)網(wǎng)球的運(yùn)動(dòng)軌跡，但是以牛頓命名的東西實(shí)在太多了。這一效應(yīng)在球類(lèi)運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用廣泛。比如著名的”香蕉球“就是這個(gè)原理。

除了體育活動(dòng)，還有別的領(lǐng)域也應(yīng)用了這一效應(yīng)。

這是一艘帆船，雖然它并不像。

看完這個(gè)動(dòng)圖是不是就懂它是怎么利用風(fēng)來(lái)前進(jìn)的了?，F(xiàn)在也有部分船使用這種效應(yīng)來(lái)減少柴油的使用。期間也試飛過(guò)一架利用相同原理的飛機(jī)，不過(guò)試飛了一次就墜毀了。

綜上：科學(xué)不僅好玩有趣，而且更有用哦！！！

先不要走，還有話說(shuō)

一個(gè)水漂

又是Nature，又是PRL的

我一點(diǎn)都不羨慕

希望大家也能這樣子

玩出Nature,PRL等等paper

部分圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

參考文獻(xiàn)：

[1]?Stone skipping-維基百科（https://en.wikipedia.org/wiki/Stone_skipping）

[2]?Secrets of successful stone-skipping-Nature （https://www.nature.com/articles/427029a#Fig1）

[3]?如何學(xué)會(huì)打水漂？-知乎（https://www.zhihu.com/question/19952935/answer/36664904）

[4]?Theoretical and Numerical Approach to “Magic Angle” of Stone Skipping-PRL（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.94.174501）

[5]?Continual skipping on water?（https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/continual-skipping-on-water/F8E0C1F072B56E1FBECDA0D80C05D581）

[6]?The physics of stone skipping?（https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.1519232）

[7]?Physics of Skipping Stones Could Make Bounceable Naval Weapons（https://www.livescience.com/53867-physics-of-skipping-stones.html）

[8]?Magnus effect-維基百科?（https://en.wikipedia.org/wiki/Magnus_effect）

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