出品：科普中國
製作：牛超群（中國科學院半導體研究所）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
不知道大家有沒有和筆者同樣的經歷：小時候和小夥伴在一起玩時，常常因為不會打水漂而感到自己不夠聰明。
其實，打水漂也有科學的秘訣！
當我們一個水漂都不會打的時候，早已經有人利用這個技能獲得了吉尼斯世界紀錄。目前打水漂的紀錄是88次連跳，由美國人庫爾特·斯坦納2014年創下。
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其實關於打水漂這個看似簡單的娛樂背後隱藏著巨大的物理學背景。
石片如何實現"水上漂"？
首先我們需要考慮一個問題，石片為何能夠在水面上彈跳？
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原因是，當一塊石頭片打入水中後，會對接觸面部分的水面進行擠壓，石片將一部分水向下推開，此時與石片底部接觸的一部分液體保持與石片相同的速度，未與石片接觸的液體保持靜止。
根據伯努利原理，流速大的地方壓強小，因此兩部分液體之間的壓強差使得石片存在一個向上的推力，壓強差越大，向上的推力越大。當其推力能夠克服重力作用，就會被彈起。石片跳躍多次之後速度會減慢，兩部分壓強差減小，獲得的推力不再能夠抵消重力作用，最後石片沉入水底。
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要怎樣扔出去，石頭才會"漂"起來？
科學家還真有認真研究這事。在2002年，一項發表在英國期刊《流體力學》雜誌上的研究表示：
要形成水漂，石頭在水中的運動過程需要保持方向不變，這就需要石片進入水中時必須存在自旋現象，類似於陀螺效應。陀螺在旋轉時存在大的自旋角速度，所以陀螺可以保持豎直方向不倒。而讓石頭在出手後旋轉起來需要一定的技巧，這也是大部分人不會打水漂的原因。
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同時，要想打出漂亮的水漂，石頭入水的角度也有講究。
在這裡我們假設一個橢圓形石片打入水中，以速度V入水，速度方向與水面夾角為β，石頭片與水面夾角為θ，同時這個石片存在自旋角速度ω。
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研究發現，當θ和β都接近於20度時，打出的水漂最為理想。
總結來說就是，要想打出一個漂亮的水花，必須滿足三個要求：石頭的速度要大，存在自旋，還要滿足合適的入水角度。
射導彈和打水漂同理？
當普通群眾還在樂呵呵地打水漂的時候，軍事學家們早將這一現象運用到了實戰中。
最早的導彈是巡航導彈。這類導彈利用火箭助推器加速後，使得主發動機的推力與阻力平衡，彈翼的升力與重力平衡，從而達到飛行的效果。比較著名的如美國戰斧巡航導彈（BGM-109）。但其速度很低，僅為0.7馬赫（馬赫數是速度與音速的比值），相當於一個普通客機的飛行速度，並且這種巡航導彈飛行高度不高，因此一旦被發現很容易被攔截。
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另一類導彈為彈道導彈，相比於巡航導彈來說射程比較大，可以達到1萬公里以上；其主要動力也不同，為火箭發動機。火箭發動機自帶燃料和助燃劑不需要大氣層中的氧氣，因此可以飛出大氣層。導彈飛出大氣層之後，由於沒有空氣阻力的作用，可以很快實現加速，因此彈道導彈的速率比較大，同時這種導彈一般是無翼的。
說到彈道導彈就不得不提沃納·馮·布勞恩，他在二戰時期為德國製造了V-2導彈用來攻打英國，速度可達4.8馬赫，由於速度較快，因此英國軍隊來不及攔截。希特勒倒臺之後，馮·布勞恩到了美國NASA工作，設計了著名的土星5號運載火箭，因此布勞恩被NASA稱為世界上最偉大的火箭工程師。
沃納·馮·布勞恩 圖源：image.baidu.com
那麼彈道導彈的軌道具體是如何的呢？
與馮·布勞恩同時期的另一個德國人桑格爾提出了桑格爾彈道。桑格爾彈道其實就是利用了打水漂原理，從起點發射一枚穿越出大氣層的導彈，由於重力作用這枚彈道會落回大氣層，當達到大氣層界面時就出現了打水漂的現象，導彈會被再次彈出大氣層，經過詳細設計之後，最後彈道落回地面，達到攻擊點。這種彈道我們稱為助推-跳躍彈道。
與桑格爾彈道對應的就是錢學森彈道。二戰結束後，錢學森跟德國物理學家就導彈方面進行了詳細的交流，錢學森發現了桑格爾導彈的不足——導彈在大氣層上的跳躍並不可控而且不好預測。因此，錢學森在該方案上提出，當導彈第一次進入大氣層之後不再彈出而是在大氣層中滑行，達到攻擊點。這種彈道我們稱為助推-滑翔彈道。
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我國新研發的東風-17導彈可以達到6馬赫速度，一定是利用的乘波體飛行器，但具體利用的哪種彈道，由於軍事機密我們並不清楚。
不僅如此，打水漂在航天上也有廣泛的應用。比如嫦娥五號的航天器在返航時利用的就是桑格爾彈道。
看似簡單的現象，背後其實蘊含了複雜的原理。下次比拼打水漂時，就算"打"不過，也可以科學地"說"過對方了！
參考來源：
1.https://baike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=6a0cd5ee2237654403889581&lemmaId=3415140&lemmaId=3415140&fr=qingtian
2.https://new.qq.com/rain/a/20161014042448
3.《論打水漂中的物理原理及其應用》，https://wenku.baidu.com/view/afb9764b2e3f5727a5e96293.html
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