“老陈,我建议成立一个跳水俱乐部,推广这项集娱乐和竞技于一体的活动。”“噢,太好了!我们杭州有水了!”
在今年的一次航空航天学术会议上,清华大学力学系吴子牛教授与浙江大学航空航天学院陈伟芳教授相识并同意推动举办这样的活动。
哈哈,你没看错,这两位研究飞行器的教授,想一起玩我和你小时候玩过的打水漂游戏。
这其中有学问吗?南北两所大学的教授为何联手?我问过一位博学之人,他说道:水上跳跃背后蕴含着大量的流体力学、空气动力学、动力学原理。国际上有水上跳跃协会、水上跳跃公开赛……西方也有擅长水上跳跃的科学家留学之路,他们根据自己的实际成果,总结出一套通用的水上跳跃公式,并将成果发表在世界顶级科学杂志《自然》上。看来两位教授不是在开玩笑。
现实:
水上打水漂是有境界的。
吴子牛是湖南人,从小在洞庭湖地区长大,小时候最常玩的玩具就是鹅卵石和眼前的湖水,打水漂是湖边孩子们最常玩的游戏。
其实,打水漂的历史可以追溯到石器时代,距今200-300万年前就有了。“人类天生就喜欢扔石头,把石头扔向物体,就像是和自然界其他物种交流一样。”哈哈,这是吴子牛说的。
世界上第一份关于打水漂的书面记录出现在1585年的一本散文集中,文献中这样记载:“这是一项将牡蛎壳或石头扔进水中的运动或游戏。”
吴子牛小时候是小伙伴中打水漂的高手,“打水漂比扔其他东西更有艺术效果。”
那是什么样的场景?“夏天的时候,我们有一个很有意思的玩法,就是看谁能把石头打到靠近水面的荷叶上。”
美丽的?
今年“五一”前,吴子牛在吉林出差,很久没玩打水漂了。在松花湖等船的时候,他捡起一块扁平的石头,手腕用力,“砰、砰、砰、砰……”“我估算了一下,石头弹了三十下左右。”
虽然已经几十年没有打过水了,但是他的技术还是一如既往的好,吴子牛又想起了这件事,因为在世界上,打水漂作为一项体育项目,是在20世纪80年代末出现在欧美的。
1989 年,科尔曼-麦吉创立了北美水上跳跃协会 (NASSA),以组织世界锦标赛。在这项赛事中,排名是根据石头在水面上弹跳的次数来决定的。目前的记录是在 2013 年 9 月创下的,当时疯狂石头弹跳了 88 次。
1997年,世界跳水锦标赛在苏格兰举行,英国的比赛规则是:以石头漂浮的距离来排名,目前的记录是120米。
“西方有打水漂的专业协会,还会组织比赛。中国有这么多水域,我们为什么不能有自己的打水漂组织,一起玩呢?”巧的是科尔曼物理学家,今年在绵阳的一次学术会议上,两位深谙打水漂科学原理的教授——北京的吴子牛和杭州的陈伟芳相遇,由此发生了开场一幕。
理论:
论打水漂的正确姿势
“我们之所以对打水漂感兴趣,一是因为这是儿时的记忆,二是因为这个游戏和我们所学的专业相关。”吴子牛、陈伟芳两位教授都是流体力学、空气动力学方面的专家,打水漂这个游戏可以用物理学的原理来解释。
打水漂时,如果石子在高速旋转中,当石子接触到水面时,水面就会对石子产生一个向上的反作用力,使石子跳起并继续飞行。这个过程可以反复进行科尔曼物理学家,就产生了石子在水面上弹起的现象。
如果石头以一定的速度旋转,打水漂就会更加稳定。
科学家不是说说而已,世界上很多科学家都玩过打水漂的游戏,积累了实际的科学经验,他们的惊人成果发表在世界顶级科学期刊上。
2004年《自然》杂志上,法国科学家克里斯托弗·克兰和他的团队利用高速摄像机等设备进行实验,发现在同样的条件下,当石头以与水面成20度角首次接触水时,打水漂效果最为完美。
英国皇家学会院士弗兰克·史密斯教授还推导出打水漂的公式,根据他的理论,打水漂的工具非常重要,“需要一块平整的石头,厚度不超过6毫米,直径在3到6厘米之间。”
史密斯先生曾经在池塘边向人们演示了他的打水漂理论。
老人脱下外套,仔细地叠好,轻轻地放在池塘边的草地上,同时捡起一块小石头,脸上露出谦卑的微笑。
史密斯缓缓俯身,摆出一副棒球投手般的优雅姿势,然后用力将手中的石头抛出。小石头在水面上不断向前跳跃,在约27米的前进轨迹上留下一连串6个弹跳点,最后扑通一声落入水中。
你注意到了吗?其实,擅长打水漂也是很有风度的。如果以后,一个风流的男生,身体往后一靠,手臂抬高45度角,将手中的小石头扔出去,女生的心大概会飞向石头的反方向,“扑通扑通”地朝着男生飞去。
这幅无声却比言语更美的美丽画卷,或许很快就会在杭州上演。
你知道吗
炸弹和飞机都可以利用跳石原理制造。
有了如此扎实的科学原理支撑,打水漂已不再只是一项娱乐和运动,还可以发挥更大的作用。
1943年5月16日晚,英国空军617中队实施代号为“惩罚”的秘密行动,使用“水漂弹”袭击了纳粹德国鲁尔河上的三座水坝。空袭后,水坝垮塌引发的洪流摧毁了25座桥梁,使鲁尔区两座发电站陷入瘫痪,其余部分严重受损,125家军工厂损失惨重。
常规空袭手段都是高空轰炸,但万米左右高空击中大坝的概率很低。技术专家巴恩斯·沃利斯为解决这一难题,别出心裁地设计了“炸弹跳跃”,即利用跳跃的原理,制造出“跳跃炸弹”。投弹者投弹时无需瞄准目标,而是在距离大坝400米处,以18米的高度,390公里每小时的速度投下一颗旋转炸弹。炸弹“嘭”地跳过水库表面的避雷网,直至在大坝处爆炸。
吴子牛说,未来跳石的原理或许也能运用到航天器的设计中。
未来的飞行器被称为高超音速飞行器。
例如,目前民用飞机的速度一般不超过音速(340米/秒),而高超音速飞机的速度可以达到音速的5至6倍。从中国飞往美国大约需要2万公里;如果乘坐高超音速飞机,2至3个小时就可到达。这和从北京飞往杭州的时间相差无几。但对于如此高速的飞机来说,飞行高度要求很高。
飞机飞得太低,会因为速度太快而产生很大的阻力;飞机也不能飞得太高,否则高空的氧气不足以点燃发动机。
一个方案是让飞机在大约35至60公里的高空,以划水式飞行。在35公里左右点燃发动机,飘到60公里高空,以波浪式飞行。一波浪近500公里。教授说,这样重复40次,就能从中国飞到美国。
本报记者 张米佳/温林燕婷/插图