打水漂之终极奥义，如何科学地做到一击必杀？

有人的地方，就会有打水漂。

几乎每一种语言中，都有这么个特殊名词或短语用于形容“打水漂”。

美式英语称之为“stone skipping”，英国俚语为“ducks and drakes”，法语则为“ricochet”，爱尔兰语为“stone skiffing”，丹麦语为“smutting”。

这种古老的小游戏，跨越了地域与文化隔离，让全世界人民都  乐此不疲。

不过，我们还真别小看了这种乡土味极浓的杀时间游戏。

有的人同样能玩出花样，玩出名堂。

在世界范围内，每年都会有各类正儿八经的打水漂锦标赛隆重开幕。

比赛规则也很简单，就看谁的石子弹跳的次数最多，又或是跳得最远。

所以，关于打水漂的吉尼斯世界纪录，也屡屡被刷新，竞争十分激烈。

图：打水漂最多次的男人kurt Steiner

目前，打水漂弹跳次数的纪录是由美国人kurt Steiner在2013年创下。

这个数字说出可能有点吓人，他竟打出了88次弹跳的惊人纪录。

而在今年的6月份，一位名为Dougie isaacs的英国男子，则打破了世界打水漂最远的记录，达121米远。

因为他这次打的水漂实在太远了，当时比赛的湖面还“差点不够用”。

图：射得最远的男人Dougie isaacs

对比一下自己运气好时才能打出几跳的水平，确实有些自愧不如。

那么问题来了，这些奇人究竟怎么做到的，难道打水漂还有诀窍不成吗？

你别说，还真有科学家研究过如何才能打出一击必杀的水漂，并给出了不少指导。

收下这份秘籍——虽然不保证你能打破世界纪录。

但，起码能让你在普通人中脱颖而出。

在解读秘籍前，我们先来温习一下打水漂的原理。

当一块石子被掷出去时，它就会以一定的速度飞向水面。

此时，在粘滞性的作用下，与石块底部接触的一部分液体会获得与石头相同的速度。

而这部分的液体，是比下层未与石头接触的静止液体要快的。

根据伯努利定律可知，沿着一根流线，流体的速度越大，压强也就越小。

于是，这两部分不同速度的液体便会产生一个压强差。

当向上的压力足够大的情况下，石头就会克服向下的重力，产生一个向上的速度。

水漂，就是这样诞生的。

但是，要如何恰到好处地让石块持续地在水面弹跳，则是另一个问题了。

投出去速度，石块与水面夹角，石块本身的形状、重量、材料等统统都会影响到最后的结果。

“怎么打水漂才能打得更远？”

法国里昂大学的利德里克·博凯（Lyderic Bocquet）博士也真被这个问题问倒了。

为了回答自己8岁儿子，他决定用物理知识解开这个谜题。

经过多年的研究，这位科学家把业余的爱好变成了一组打水漂方程式发表在了2003年的《美国物理学》上。

通过系统的试验，博凯博士把打水漂成功的关键要素都列了出来。

天下武功，唯快不破。速度，正是打水漂的第一要义。

在抛掷石块时，初速度必须超过某个临界值，只有当速度超过2.5m/s时，弹跳才会发生。

每一次，石块与水面碰撞都会损耗掉一定的能量，若能量太低石块便会直接落入水面。

石块的初始速度越大，也意味着石块动能越大，能弹跳次数也就越多。

按照理论来说，若石头的动能可以不发生损耗，这水漂就可能一直进行下去。

所以说手劲儿越大，你离创造打水漂世界纪录就越近了一步。

当然除了力量以外，技巧才能让打水漂事半功倍。

而20度，便是水漂界的“梦幻入射夹角”。

这个角度，可以将石头与水面碰撞的时间降到最低。

而这也代表着石块因与水面碰撞损耗的能量越小。

因此，石块也尽可能地保留更多的能量做后续的弹跳。

这一点，也是最关键的。

因为只要控制好这个入射夹角，让其尽量地接近于20度，石块即可获得最大化的打水漂效果。

而值得注意的是，这个夹角是绝对不能超过45度或接近零度。

不然你力气再大，石头也只会毫不留情面地“嗵”一声沉入水底。

而让石块旋转起来，则是另一个技术要点。

将石块掷出去时，我们需要把它当做一个飞盘，赋予它一个自旋角速度。

这有些类似于陀螺仪的原理，旋转石块的飞行姿态会更加地稳定。

自旋速度越高，石块运动也就越稳。

实际上，打水漂弹跳次数多寡，会受到许多不确定的因素影响。

而高速的自旋速度，则可以使石块在一定程度上无视这些外力影响，保持最佳飞行姿势。

若没有自旋，石块可能在第一次跳起后就已经被水面撞得东倒西歪，无法跳起第二次了。

最后一点，则要回归石块本身。

我们选择打水漂用的石块时，应尽量选择较轻、更圆扁的那种鹅卵石。

当然，也不是越轻越好，因为石块大部分运动轨迹还是在空气中，因而也需要有一定的重量。

图：相对优秀的打水漂用鹅卵石

所以综合上面的所有要素，我们就可得出：

去湖边找一块扁平的鹅卵石，找准20度的梦幻夹角，用尽吃奶的力气，将其以高速自旋的姿态射入水面。

不过，知道这些秘诀后，离打出完美水漂还是有一定距离的。

因为即便有了理论，实践起来也并不容易。

而如何精准控住身体，投掷出符合打水漂物理学的石块，才是制胜重点。

这就好像普通人知道“香蕉球”怎么踢，但就是成不了贝克汉姆，属于一个道理。

但不要紧，脑子才是最好的东西。

博凯博士的这篇论文，很快就引起了马塞大学Christophe Clanet的注意。

他和团队就从中汲取灵感，一台自动打水漂机面世。

这台机器可以将直径5公分、厚度2.75mm的铝盘投入2公尺长的长池，用于模拟打水漂的过程。

而这整个过程，都将被高速相机完整记录下来。

所以这个机器除了能打出漂亮的水漂以外，也进一步印证了博凯博士的理论是正确的。

图：自动打水漂机器实验图

事实上，当你还觉得打水漂只是个小游戏时，有人早就应用该原理打过无数场漂亮仗了。

其中机智的英国人，正是将打水漂应用到战事上的先驱。

早在16世纪，一名叫伯儒那英国海军军官就发现了，将炮弹打到水面上可以射得更远，射程往往能增加2至3倍。

在这之后，英国的海军们就常用这种方法来攻击射程之外的目标了。

其中有记载的最高记录是，一枚25千克的炮弹在水面上120m/s的速度在水面上弹跳了30下。

而早早尝到了“打水漂”的甜头，二战期间英国更是精心炮制出了一种“跳弹”。

当时德国纳粹最重要武器生产基地——鲁尔重工业区，就是被这种会打水漂的炸弹摧毁的。

说鲁尔工业区是德国崛起的摇篮就再最贴切不过了。

这里不仅创造了令全世界都艳羡的财富，还生产出了各种优质的武器，是纳粹德国叱咤战场最大的帮凶。

图：鲁尔重工业区

1943年，二战的欧洲战场正处于相持阶段。

彼时，摧毁对方的战斗潜力便成了最重要的手段。

而在盟军眼里，鲁尔重工业区就是重点打击对象，必除之而后快。

但在多次空袭中，英国空军都未能攻破德国人的防守。

所以，英国人只能把眼光放在鲁尔河上游的三座大坝身上。

只有炸毁水库大坝，鲁尔重工业区便会陷入停产，下游居民点也会被淹没。

然而，想要摧毁水坝也并非易事。

水坝本身就由混泥土浇注而成，只有超重型炸弹直接命中才有可能将其炸毁。

而且德军还如保护命根子一样，在大坝上设置了密集的防控火力。

英国空军即便是派出最远射程的轰炸机，也无法碰到大坝。

此外，水中更设多道防鱼雷网，想要用鱼雷的轰炸也不是办法，计划陷入了僵局。

图：巴恩斯·沃利斯

此时，一位名叫巴恩斯·沃利斯（Barnes Wallis）的航空工程师则巧妙地想到了对策。

他从打水漂中获得了灵感，并发明了一种大射程的跳弹（bouncing bamb）。

这种跳弹呈圆桶形，发射之前会以一定速度旋转。

在离水面18米的高度投下，这种特制的炸弹便能打着“水漂”，以弹跳前进的方式越过防鱼雷网，命中水坝。

图：跳弹攻击水坝示意图

一切准备就绪，1943年5月16日晚，英国空军的代号为“惩罚”秘密行动开始。

很快，鲁尔水库的两座大坝被这种会打水漂的跳弹炸毁。

空袭过后，水灾冲毁了25座桥梁，导致两座发电站瘫痪。

其中，三分之一的军工厂则停业数月之久，德国受重创。

而此战的功臣沃利斯，也因此战绩被载入史册。

图：被摧毁的水坝

现在科学家也重现了二战时期这种跳弹攻击大坝的过程。

图：先给跳弹一个旋转速度

图：然后再投下

图：完美

看到这里可能就有人会感叹了，这莫不是人类史上最大型的打水漂现场？

还真不是。

比跳弹还要强大的打水漂现象，发生在地球的大气层边缘，主角则是航天器。

大气由极稀薄到稠密，也可以看作一个流体的界面。

当航天器的返回舱以高速从空气稀薄的太空返回地球时，也是会发生打水漂现象的。

高速的航天器穿越大气层时，产生的高温是致命的。

为了避免航天器因高温受损，科学家也想出来了给航天器降温的办法。

就是让航天器先在大气外层先打打水漂，待速度降下来再正式进入大气层。

这种方式也叫做“跳跃式再入返回”，我国的嫦娥五号就是这样返回地球的。

所以下次打水漂被别人说幼稚时，你就可以说，我这是在研究航天技术返程问题呢。

*参考资料

stone skipping.Wikipedia

Lydéric Bocquet.The  physics of stones kipping [J] .American Journal of Physics, 2003

Lionel Roselini， Fabien Hersen， Christophe Clanet，Lydéric Bocquet.Skipping stones[J].J. Fluid Mech.2005

胡海.会打水漂的炸弹和飞机[J].知识就是力量.2007