科学|当小行星在太空中打了一个水漂……
大家一定都玩过打水漂吧？能够打个漂亮的多次水漂是一件非常令人兴奋的事 。 但是你知道吗 ， 除了石头 ， 导弹、载人航天器返回舱甚至是外太空的星星也会打水漂呢！今天就让我们一探究竟 。
打水漂是一个非常严肃的科学问题
很多人都玩过打水漂的游戏 ， 技巧是在水边选一块扁平且重量适中的石头 ， 然后侧向水面加一些旋转丢出去 ， 石头就会在水上一跳一跳地跃向远方 。 如果技术够好 ， 使用雪茄形状的石头也可以打出水漂 。 据说打水漂的世界纪录是跳跃91次 。
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打水漂
那么为什么沉下去的石头 ， 会再次跳上来？这其实是一个比较复杂的力学问题 。 在打水漂时 ， 石头的速度很快 ， 所以与石头接触的那层水会获得很高的速度 。 按照流体力学中的伯努利定律 ， 流体的速度愈大 ， 压强愈小 。 所以 ， 贴着石头的那层水速度很快 ， 压强较低 ， 但是更下层的水几乎是静止的 ， 所以压强较大 。 这个压力差就会推动这层水向上运动 ， 带动石头跳起来 。
当然 ， 石头的形状、重量、姿态、入水角度、初速度、旋转等因素都会影响打水漂的效果 ， 法国的物理学家利达瑞·柏奎和克里斯托弗·克兰尼等就对打水漂做了很深入的研究 ， 他们用一个半径为R ， 厚度为h的铝制圆盘模拟石头（如石块打水漂的力学模型分析图） ， 这个石头自身的姿态角（攻角）为α ， 而石头与水面接触时的瞬时速度方向与水平方向的夹角为β、石头旋转的角速度为Ω、石头的速度矢量为U 。 通过改变速度和姿态等参数 ， 利用多次实验得到了能否成功打水漂的结论 。 在石头的速度为3.5米/秒 ， 入水角度大于55度时 ， 就无法打水漂了 ， 而当入水角度在20度左右 ， 将获得最佳弹跳效果 。
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二战期间 ， 英国著名发明家巴恩斯·沃利斯在对打水漂进行深入研究后 ， 发明了著名的跳弹 。 当时的英军要炸毁德军非常重要的3座大坝 ， 而德军为防止英军空投鱼雷 ， 早已提前在水里布置了大量的鱼雷网 。 沃利斯利用打水漂的原理 ， 经过精确计算 ， 研究出了飞机的速度、高度 ， 参考炸弹的重量等参数 ， 制成的跳弹可以像石头一样在水面上跳跃 ， 最终突破了德军的水下鱼雷防御网 ， 成功炸毁了目标 。
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仿制的沃利斯跳弹原型
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被摧毁的德国鲁尔水坝
小行星也喜欢在太空中打水漂
在一定条件下 ， 地球的大气层也可以作为“水面” ， 让飞行器和一些小天体实现“太空水漂” 。 中国的探月工程返回舱 ， 就是通过打水漂的方式实现降速进入大气层的 。 大气层从太空到地面是由稀到稠的渐变 ， 也可以看作一个类似水面的流体界面 。 由于返回舱的速度非常快 ， 如果垂直于界面进入大气 ， 飞行器可能会由于摩擦发热而烧毁 。 而如果返回时与大气界面的夹角过小 ， 就相当于在大气上打水漂 ， 有可能无法落地 ， 最终跳出地球范围 。 为了让返回舱能够既通过打水漂减速 ， 又不被弹走 ， 就需要科学家们进行精密的计算和设计了 。
太空里充满了石块和冰块 ， 有些是早期太阳系形成时剩下来的小行星、彗星 ， 有些是小行星撞击行星 ， 溅射产生的石块 。 这些石块时不时会向地球飞来 ， 很多时候擦肩而过 ， 而有时候也会落入地球大气 ， 形成流星；没有完全烧毁的石块则会落到地面成为陨石 。 除了这两种情况 ， 这些太空石块也有可能进入地球大气上层 ， 又被弹回太空 ， 就像在地球大气中打了个“水漂” 。 类比掠过水面的石块和再入大气层的飞行器 ， 要实现这种小行星的“太空水漂” ， 同样要满足一定条件 。
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