出品：科普大陸
制作：王志英
監制：大陸科學院計算機網路資訊中心
你小時候玩過打水漂的游戲嗎？
在小池塘邊拾起一塊扁平的石頭或瓦片，側著身，揮動手臂用力將石頭甩到水面上，那石子就在水面上不斷俯沖和躍起彈向池子的盡頭，在平靜水面上掀起一朵朵白色的浪花。
有時石頭能彈起三四次甚至十幾次，但若是將一塊沉重的石頭扔在水里，出現的只有沉悶的“撲通”聲和四濺的水花，一次也彈不起來，
△打水漂照片｜圖片來源：veer圖庫
為什么有的石頭能輕易打出水漂，有的則不行？
打水漂的奧妙究竟在哪里呢？沉入到水中的石頭又會有哪些運動？
要想成功打水漂，需要具備以下幾個條件：
1. 選擇扁圓且厚度均勻的石頭；
2. 拋擲的時候力量要大且讓石頭進行旋轉；
3. 調整出手時石頭的角度，讓其盡量在接觸水面時是20°，
△打水漂姿勢照片｜newton.com.tw/twoeggz.xom
法國的物理學家發表在《Nature》上的文章揭示了成功打水漂的奧妙，
文中指出決定石頭彈跳次數主要有4個參數：石頭拋擲水平速度、轉速速度、石頭功角α，以及入水彈道角β。
而且hristophe Clanet教授給出了碟形石塊打水漂的夢幻攻角，即以20度攻角的姿態撞擊水面，碰撞時間最小因而能量損失最小，能夠得到理想的效果。
△碟形石塊打水漂的力學模型及分析｜α為攻角，β為入水彈道角（左）結果表明攻角為20度時具有最佳的彈跳效果（右）而彈道角大于45度后不會再產生彈跳
二戰時期，盟軍希望攻擊德國魯爾工業區內的水壩，在嚴密防守下通常的高空投彈和水下魚雷攻擊都一籌莫展，
英國發明家威利斯依據打水漂現象，發明了一種彈跳彈，飛機投下的炸彈在水面上跳過防御工事后在大壩上爆炸，最終盟軍采用這種方法成功摧毀了德國境內的三座大壩，
△威利斯的彈跳彈設計原始草圖（左）及使用效果照片（右）
2020年12月17日凌晨，大陸探月工程嫦娥五號返回艙利用打水漂原理在大氣層表面進行“太空打水漂”方式返回，順利著陸，
返回艙在接近大氣層的時候，以較小的角度進入，借助密度差產生的氣動升力躍出大氣層，地球引力使返回艙再次回落，產生又一次彈跳，
每一次彈跳，速度逐漸會降低，直到不再有足夠動能形成新的彈跳，而自由下落，返回地球，
“太空打水漂”技術，能夠實現“自然減速”，且有助于降低返回段熱負荷問題，避開觸發“燃燒”的風險，從而保證返回艙安全著陸，
△嫦娥五號“打水漂”式回家｜圖片來源見水印
Clanet教授同時還發現，當入水彈道角大于45度，石塊會直接進入水下而不產生彈跳，
從力學角度來看，物體以相對速度穿越水面的入水過程主要包括三個階段：接觸瞬時的砰擊、自由面大變形的開式空泡、開式空泡閉合后的水中運動，
前者主要是沖擊動力學問題，而后兩方面往往表現為水動力與剛體運動甚至結構變形的耦合，入水的流動特征與物體形狀、姿態、入水角度、初速度乃至旋轉、表面特性等多種因素相關。
在開式空泡條件下，物體與水通常只有頭部小面積接觸，流動約束反力非常小，因而姿態通常不穩定導致物體在水中劇烈旋轉，
△小球入水的典型過程｜a:入水沖擊和射流生成；b&c: 形成與空氣連通的開式空泡和皇冠形飛濺；d: 空泡發生深閉合并形成垂向射流；e: 空泡發生表面閉合
自然界和生物界也有形形色色的入水問題。
如翠鳥，鰹鳥等平時在空中飛行，發現獵物后會以近乎垂直的角度突然俯沖下來進入水中，靠慣性入水并抓捕魚類。
那么，這些動物是如何做到姿態可控且軌道穩定去捕捉魚類呢？
研究發現這些以魚為食的鳥類通常具有尖銳的喙和細長的脖子，入水前翅膀夾緊身體像箭一般刺入水中，最大限度地優化自身入水的水動力學特性。
而且翠鳥入水通常只會激起非常小的水花，這樣便可在入水后保持更快的速度、潛入更深的水中以提高捕食到魚類的機會。
入水之后通過調整翅膀的伸展控制姿態，迅速捕食獵物。
△翠鳥入水過程照片，入水前空中姿態（左）入水后姿態控制及空泡形態（右）｜圖片來源：veer圖庫
科學家非常關心這些水鳥如何在高速入水的過程中不受到傷害，
一項發表在《美國科學院院報》的研究通過對一種北方塘鵝（northern gannet）的標本進行入水實驗，
發現海鳥在入水之前會努力收縮肌肉，通過肌腱保持骨頭的穩定性使脖子伸直，以降低入水產生的巨大沖擊載荷導致的受傷風險。
由此，科學家們建立了海鳥入水的安全速度理論預測模型，并為人類的活動提供了參考。
比如大陸跳水“夢之隊”運動員入水，身體與水面垂直時激起的水花最小，這樣看起來與翠鳥的入水姿態有幾分相似。
△跳水比賽運動員入水前姿態和入水后的水花
這種自然界和生活中的入水現象也被成功應用于實際工程中，
MIT的Tadd Truscott教授通過優化彈頭的形狀，使子彈始終貼在空泡表面的一側從而獲得穩定彈道。
英國帝國理工學院研制的“塘鵝”入水飛行器，在空中飛翔時會保持為“固定翼”的狀態，
當要入水時，先把機翼收起折疊成一條細線，再模仿塘鵝捕食時的姿態俯沖入水，類似的工程問題還包括水上飛機的著陸，航天器水上降落和回收等等。
△針對入水彈道穩定性的子彈形狀優化｜a：常規子彈入水彈道失穩旋轉；b：優化后子彈形狀彈道保持穩定；c：子彈形狀對比；d：優化子彈入水空泡的理論與實驗分析
△英國帝國理工學院研制的AquaMav（塘鵝）跨介質飛行器樣機｜樣機入水照片（左）真實塘鵝入水照片（右）
不難發現，入水后物體的運動，仍與力學原理息息相關。
老子的《道德經》中講，故恒無欲也，以觀其眇（妙）；恒有欲也，以觀其所噭，
意思是說，平常要處于一種“無欲”的狀態，去觀察大自然和生活中有趣的問題，然后再進入“有欲”的階段，通過人本能的求知欲來尋找現象背后的奧秘，
所以，如果我們能夠善于在日常觀察中尋找科學發現契機，采用嚴謹認真的分析歸納出一般規律，就能夠更好地運用這些規律解決實際問題。
參考文獻
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[6]https:http://dronesplayer.com/uav-drone
