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马格努斯效应是什么(如何打出一个完美的水漂?)

2024-11-07 09:03:28

一片水域能孕育一个文明,也能让路过河滩的人打出一个漂亮的水漂。作为人类最古老的休闲活动之一,打水漂讲究技巧,门槛却不高,在全球许多国家都能看到它的身影。


我们可能都打过水漂。在一条小河边,随手捡起一块稍扁的石头,尽量将它与水面平行地掷出,就能让它看起来反物理常识地飞出很远,起起落落间留下几个涟漪。



对于打水漂这个也许人人都会的休闲游戏,我们或许不曾想过,自己是否真的懂它。事实上,除了是河滩边几秒钟的消遣,它还可以是古老的赛事、论文的主题、杀伤性武器或者文化的缩影。


这块随手被捡起又扔出的小石子,其实并不简单。



打水漂是一项正规赛事


提起打水漂,觉得自己擅长的人一定不少,随手一扔就让石块在水面上跳跃一二十次,的确能引来周围人的注目和欢呼。但对于世界顶尖的打水漂高手来说,这算不了什么。


因为他们可以轻易用石子在水面划出一道白线。



或者同时扔出多个石块,来一手天女散花。



“打得多、打得远”是水漂宇宙中的“绝对正义”,水漂爱好者在追求极限的路上永不止步。


目前打水漂的吉尼斯世界纪录是由外号“山人”的Kurt Steiner在2013年保持的88跳。


▲当年的封神一漂,统共88个。


而最远距离纪录则是由英国男子Dougie Isaacs保持的121.8米。因为当时的石头飞得实在是太远了,比赛湖面还差点不够用。


▲打水漂世界最远纪录的诞生瞬间。


“最高纪录”的命运,就是供人打破的。数年来,无数“水漂人”都对这个纪录发起过冲击。


2016年日本选手岡坂有矢曾打出过91跳的成绩,但因为只是个人练习成绩而非正规比赛成绩,所以他对吉尼斯纪录的申请并没有通过。


▲岡坂有矢打出的弹跳了91次的水漂。


是的,你没看错,打水漂还有正规比赛,而且各个规模都不小。


早在1947年,哥本哈根举办的丹麦锦标赛,被认为是最早的打水漂赛事。美国密歇根的麦基诺岛锦标赛,每年7月4日举行,至今已举办了54届。


▲麦基诺岛锦标赛史料。


苏格兰伊斯代尔岛的打水漂锦标赛是打水漂界几大国际赛事之一,从1993年至今已经举办了二十几届。


这个风景秀丽的苏格兰小岛曾是苏格兰板岩工业中心,最多的时候岛上有7个采石场。然而1850年的一场海上风暴来临,海水灌满了这些矿坑,不仅采石事业戛然而止,还险些沦为荒废无人岛。


直到多年后,充满着板岩废料和大水坑的小岛被打水漂爱好者们发现:任何人不知道这个打水漂胜地,我都会伤心的ok?


就这样,这里逐渐成为打水漂爱好者的聚集地,担起了举办世界锦标赛的重任。经过多年的规划和改造,伊斯代尔岛建成了世界上第一个专门用以打水漂比赛的赛场。


日本高知县自2004年开始,除了这两年因为部分原因推迟或取消外,每年也会定时举办仁淀川国际打水漂大会。



目前,这些赛事的赛场十分标准、规则体系都已非常成熟。而且在比赛中不仅会有专业裁判,辅助无人机和摄像机等设备为选手统计成绩,还会邀请解说和媒体对比赛进行转播。


看到这里,你是不是心痒手也痒:培养别的体育特长已经晚了,现在开始打水漂或许还来得及。



如何打出一个完美的水漂?


如何在打水漂活动中拔得头筹,这份教程你拿好了。


想要这个水漂打的又远弹跳次数又多,千万要拿捏好以下四个关键点:


①入水初速度


2002年,法国里昂大学的Lyderic Bocquet博士最早从物理学理论上研究打水漂,经过研究他推导出了石块击水的运动方程,推算出石块能够实现弹跳的条件,也给出了水漂最大弹跳次数的计算方法,并于2002年发表在《美国物理学季刊》。


根据他的方程式,石块弹跳只有在抛掷的初速度超过某个临界值时才会发生,而弹跳次数多寡取决于入射水面石块的速度有多快,第一次弹跳至关重要。


后续经过测算,只有当速度超过2.5m/s时,石块弹跳才会发生。简言之,你得使劲儿。



②“黄金20°角”


想要石块在水面上飞得远,入水角度是关键中的关键。


2004年,法国科学家Christophe Clanet通过系统的实验得出水漂产生最多弹跳次数的最佳入水角度约为 20°。因为在这个角度入水时石头和水面的撞击的时间段最短,消耗的动能也是最少的。


最终,这一结果发表在世界权威期刊《Nature》上。


▲注:石块平面与水面的角度。


③让石头旋转起来


法国的克里斯托夫·格兰尼特博士利用自动投掷机将直径5cm、厚度2.75mm的铝制圆盘投入13m长的水池,模拟打水漂过程。


实验证明了石头是否旋转、旋转的程度是打水漂关键因素。石子旋转撞击流体时产生的陀螺效应和马格努斯效应,结合起来影响了其轨迹的偏转。


陀螺效应:重力对高速旋转中的陀螺产生的对支撑点的力矩不会使其发生倾倒,而发生小角度的进动。


马格努斯效应:流体力学当中的现象,是一个在流体中转动的物体受到的力。在球类运动项目中非常普遍,例如“旋转发球”“香蕉球”。


▲马格努斯效应图示。


高深理论不讲,结论就是旋转有助于稳定石块在空中的飞行姿态,为石子的连续弹跳创造有利条件。


④选择直径3-6cm、厚度不超过6mm的薄片石头


英国皇家学会会员史密斯教授综合石头的重量和速度、空气的影响、水的阻力以及重力等因素,推导出了一个完美水漂的方程式:Man=P-Mg+空气影响(M代表质量,an代表垂直加速度,P代表水面反馈压力,Mg代表重力)。


利用这个公式玩游戏,最重要的环节就是选石头。合适的石头应该是扁平薄片状的,厚度不超过6mm、直径介于3~6cm之间,整体重量不要太轻。


▲大概长这样。


打好水漂有什么用?


打水漂的应用之广,早就超出了你家门口的小水塘,向更广阔的空间进发,甚至在战争中被用到了武器上。


二战时期,英国空军想轰炸德国鲁尔大坝,但德军在水库大坝上布置了密集的防空火力,还在靠近大坝的水中布设了防雷网,英军即使远距离用轰炸机投放鱼雷也无法炸到大坝。


这时,英国的航空工程师巴尔苏·沃里苏想到了“打水漂”。既然石块可以在水面弹跳,炸弹行不行呢?于是,他以打水漂灵感设计出了一种能在水面弹跳的“跳弹”。



“跳弹”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,完成了这次作战行动。



航天飞行器再入返回也汲取了打水漂的灵感。


“再入返回”,航天术语叫“半弹道跳跃式返回”。即是返回器第一次进入大气层一定“深度”后弹起,再第二次进入大气层返回地球。这两次“水漂”会把返回器的速度降下来,让其安全穿过大气层。


我国的“嫦娥五号”,就是这样在太空打着水漂回来的。