有些人表面上是在“打水漂”，背地里却……_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-08-04 11:38
原创：中科院物理所
这个”打水漂“可不是什么努力都白费了的意思哦，而是一项世界各地人民都喜欢的岸边水上运动。
要说有多喜爱呢，北美甚至于1989年在德克萨斯州成立了”打水漂协会“，举行打水漂锦标赛，跳跃次数最多者取胜，而苏格兰每年也会举办相关的比赛，但是获胜条件不太一样，是飞的远的获胜（你想不想整个冠军？）。
可见大家对打水漂这项运动的喜爱。
江湖上有句很流行的话：“有人的地方就有江湖。”
而我们“水漂界”也有一句话：“有水的地方就有水漂！”
你不要过来鸭，小石头
打水漂也能发Nature？
The article about stone skipping on Nature？
大家可能就要问了，这打水漂还能玩到什么境界？
（玩出什么花来）
那你就大错特错了！
如果我们没有掌握一定的技巧，那可能仅仅就是
一个水花，跳水最后得分，10分，哇！！！
不好意思，走错片场了。
而世界吉尼斯纪录保持者Kurt Steiner打水漂记录是88次。
kurt steiner
而打水漂掠过距离最长的世界纪录保持者Dougie Isaacs划出了121.8米的距离。[1]
然后我看了看我打出的一个水花
难过的留下了眼泪
痛定思痛之后
我决定好好研究一下
弄清楚里面的物理过程
并准备写一篇名为**《论如何科学的打水漂》**的论文
并争取发表在**《宿舍学报》**上
（总觉得我在瞎研究）
结果
我用关键字搜索了一下与水漂相关的论文
（谁会研究这个吗？）
突然
一篇2004年的Nature印入了我的眼帘
什么？？？
这东西还能发Nature？
我揉了揉眼睛，发现并没有看错
算了，《宿舍学报》计划宣布破产，先学一下技术
水漂分析 来源：文献 [2]
这篇Nature通过大量系统的实验发现了一个打水漂的最优解，也就是**当石头圆盘的平面与水面的夹角为20°**时，是打水漂的最佳角度。[3]
不过这是为什么，这篇文章没有给出合理的解释。
如何才能打出一个完美的水漂？
How can I make a perfect stone skipping?
而第二年的一篇PRL，通过数值模拟，给出了理论解释：
简化模型 来源：文献4
通过对水漂过程中石头-水平面进行建模，给出了和上面那篇Nature相同的结论，即20°角确实可以让水漂表现最好。[4]
那么除了这个角度之外，打水漂还需要哪些参数，才能把这个水漂打的又远弹跳次数又多呢？
按照经验来说，肯定初始速度越大越好，因为在碰撞水面的过程中会损失一定的能量，相同情况下，初始平动动能大的飞的远。而有一篇名为《Continual skipping on water》的文献中，证实如果石头可以维持水平速度，那么这个水漂将会一直进行下去（是不是感觉在哪里见过类似的结论？）。[5]
石头飞出手时，最好可以自带旋转，这样可以让石头在运动过程中保持一定的稳定性，这其中主要是利用了陀螺仪的原理，并且由于陀螺效应可以继续进行直线运动而不会出现偏差（大雾）。[6]
陀螺仪是一种由轮子或者圆盘组成的组成的装置，它可以围绕轴自由转动，而轴的方向不受倾斜的影响。重力对旋转盘平面的影响导致旋转轴“偏转”，而施加在旋转盘上的有效扭矩（是使物体发生转动的一种特殊的力矩）对角动量矢量也有影响。最终使得整个旋转轴在重力和其自身角动量矢量的影响下找到了平衡，从而维持了一定的稳定性。
而且文献中也提出，石头的形状最好是圆盘****形状。[6]
综上，所有的条件基本都给出了：
圆盘状的石头，20°的角度，自旋角速度越大越好，初始速度（抛射速度）越大越好。
所以记住了这些诀窍的小伙伴，一个小池塘可能已经满足不了诸位小伙伴了。
赶紧找片大海练练手吧，不过一定要注意安全昂！
是不是还有一个关键性问题没有解决？那就是水漂为什么会飞起来！
当石头以一定角度将水向下推的时候，水面给的反作用力使其竖直速度反向，并损耗一定的能量，而之后继续飞的石头是以与飞盘相似的方式产生升力，而这与水的表面张力几乎没有关系。 [1]
来源：维基百科
研究水漂有什么用？
What is the significance of the study?
不知不觉，竟然参考了这么多文献，其中竟然还包括Nature。那么研究打水漂肯定不光光是为了好玩吧。
那么，问题来了：打水漂有什么用吗？
当然有用，而且甚至在战争中被用到了武器上。
在帆船时代，由于火炮动力不足，铁质的炮弹飞行距离过小。这时候就有一部分人发现，可以让炮弹通过这种“打水漂”的方式。无形中增加了射程，也大大增加了获胜的几率。毕竟对方还碰不到自己的时候，已经打中了对方帆船，甚至击沉对方。
而威廉·伯恩更进一步，他通过研究第一个提出：如果炮弹能够以足够低的角度发射出去，将会到达更远距离。[7]
而在二战时期，英国工程师也开发了一种类似的武器，这种武器在撞击前以极快的速度旋转，从而在水面上移动，最终炸毁了德国关键的水坝。
示意图 来源：腾讯网
那这又是什么？
What is this again?
小编发现有人去了位于塔斯马尼亚的戈登坝，此坝高约126.5米，是不是可以在上面试一下高空水漂？（疑问）
图片来源：youtube
可以看到，当不给篮球任何初始变动时，虽然在风的作用下，有一些摇摆，但是最终差不多直直的落了下去，与水还有很远的距离，那还打个啥的水漂？
如何才能够得到水呢？使劲直直的扔过去？感觉不是那么优雅。要不，就给篮球加一点旋转？
图片来源：youtube
而当给篮球加了一个旋转之后，一切都不一样了。篮球在空中划过了一道弧线，并最终在水上打出了漂亮但是声音巨大的“水漂”。（啊喂，这个球谁去捡一下？）
这又是为什么呢？原来这其实是受一种物理效应—马格纳斯效应的影响。这一效应是由德国科学家马格纳斯于1952年发现的，故以此命名。
顺时针旋转的圆柱体会产生向下的力 来源：维基百科
该效应会影响空中飞行的球体或者圆柱体，小球获得一定的速度后，下方的气体流向与旋转方向相同，因此气流被球所偏转，并作用于球上。而上方的气流与球的旋转方向相反。最终结果是：球将一侧（上方）空气推开，同时气流又产生了等大的反向作用力，小球的轨迹就会发生变化。[8]
马格纳斯效应让我们可以在高空优雅的打水漂。
虽然早在200多年前，牛顿类似的解释过网球的运动轨迹，但是以牛顿命名的东西实在太多了。这一效应在球类运动中应用广泛。比如著名的”香蕉球“就是这个原理。
除了体育活动，还有别的领域也应用了这一效应。
这是一艘帆船，虽然它并不像。
看完这个动图是不是就懂它是怎么利用风来前进的了。现在也有部分船使用这种效应来减少柴油的使用。期间也试飞过一架利用相同原理的飞机，不过试飞了一次就坠毁了。
综上：科学不仅好玩有趣，而且更有用哦！！！
先不要走，还有话说
Last but not least
一个水漂
又是Nature，又是PRL的
我一点都不羡慕
希望大家也能这样子
玩出Nature,PRL等等paper
（最好作者一栏能带小编一个，哪怕是致谢）
部分图片来源于网络
参考文献：
[2] Secrets of successful stone-skipping-Nature
[4] Theoretical and Numerical Approach to “Magic Angle” of Stone Skipping-PRL
[5] Continual skipping on water
[6] The physics of stone skipping
[7] Physics of Skipping Stones Could Make Bounceable Naval Weapons[8] Magnus effect-维基百科