撰文 / 钱磊（中国科学院国家天文台）郭亮（中国科学院力学研究所）
大家一定都玩过打水漂吧？能够打个漂亮的多次水漂是一件非常令人兴奋的事。
但是你知道吗，除了石头，导弹、载人航天器返回舱甚至是外太空的星星也会打水漂呢！今天就让我们一探究竟。
打水漂是一个非常严肃的科学问题
很多人都玩过打水漂的游戏，技巧是在水边选一块扁平且重量适中的石头，然后侧向水面加一些旋转丢出去，石头就会在水上一跳一跳地跃向远方。如果技术够好，使用雪茄形状的石头也可以打出水漂。据说打水漂的世界纪录是跳跃91次。
那么为什么沉下去的石头，会再次跳上来？这其实是一个比较复杂的力学问题。在打水漂时，石头的速度很快，所以与石头接触的那层水会获得很高的速度。按照流体力学中的伯努利定律，流体的速度愈大，压强愈小。所以，贴着石头的那层水速度很快，压强较低，但是更下层的水几乎是静止的，所以压强较大。这个压力差就会推动这层水向上运动，带动石头跳起来。
打水漂的力学模型过程
石块打水漂的力学模型分析
当然，石头的形状、重量、姿态、入水角度、初速度、旋转等因素都会影响打水漂的效果，法国的物理学家利达瑞·柏奎和克里斯托弗·克兰尼等就对打水漂做了很深入的研究，他们用一个半径为R，厚度为h的铝制圆盘模拟石头（如石块打水漂的力学模型分析图），这个石头自身的姿态角（攻角）为α，而石头与水面接触时的瞬时速度方向与水平方向的夹角为β、石头旋转的角速度为Ω、石头的速度矢量为U。通过改变速度和姿态等参数，利用多次实验得到了能否成功打水漂的结论。在石头的速度为3.5 米/秒，入水角度大于55度时，就无法打水漂了，而当入水角度在20度左右，将获得最佳弹跳效果。
被摧毁的德国鲁尔水坝（左）；
仿制的沃利斯跳弹模型（右）
二战期间，英国著名发明家巴恩斯·沃利斯在对打水漂进行深入研究后，发明了著名的跳弹。当时的英军要炸毁德军非常重要的3座大坝，而德军为防止英军空投鱼雷，早已提前在水里布置了大量的鱼雷网。沃利斯利用打水漂的原理，经过精确计算，研究出了飞机的速度、高度，参考炸弹的重量等参数，制成的跳弹可以像石头一样在水面上跳跃，最终突破了德军的水下鱼雷防御网，成功炸毁了目标。
小行星也喜欢在太空中打水漂
在一定条件下，地球的大气层也可以作为“水面”，让飞行器和一些小天体实现“太空水漂”。中国的探月工程返回舱，就是通过打水漂的方式实现降速进入大气层的。大气层从太空到地面是由稀到稠的渐变，也可以看作一个类似水面的流体界面。由于返回舱的速度非常快，如果垂直于界面进入大气，飞行器可能会由于摩擦发热而烧毁。而如果返回时与大气界面的夹角过小，就相当于在大气上打水漂，有可能无法落地，最终跳出地球范围。为了让返回舱能够既通过打水漂减速，又不被弹走，就需要科学家们进行精密的计算和设计了。
行星掠过地球，打了一个星际水漂
太空里充满了石块和冰块，有些是早期太阳系形成时剩下来的小行星、彗星，有些是小行星撞击行星，溅射产生的石块。这些石块时不时会向地球飞来，很多时候擦肩而过，而有时候也会落入地球大气，形成流星；没有完全烧毁的石块则会落到地面成为陨石。除了这两种情况，这些太空石块也有可能进入地球大气上层，又被弹回太空，就像在地球大气中打了个“水漂”。类比掠过水面的石块和再入大气层的飞行器，要实现这种小行星的“太空水漂”，同样要满足一定条件。
小行星形状通常不规则，有哑铃形、雪茄形。由于YORP效应（由于小行星的形状不规则，恒星的辐射导致小行星产生自转的一种效应）等物理过程的长期影响，小行星通常都在旋转，角速度通常沿转动惯量最大的轴。哑铃形和雪茄形的小行星旋转起来就像竹蜻蜓。和打水漂的石块一样，如果角度合适，小行星就可以被地球大气弹走，完成一次“太空水漂”。不过，由于小行星速度通常非常快，只能在地球大气上层完成一次“水漂”，像水漂高手那样用石块在水面上打出弹跳几十次的水漂，对于小行星来说几乎是不可能完成的任务。
在现实中，人类就曾经观测到小行星的“太空水漂”。1972年曾有一颗小行星在大气层界面上完美地打了一个“水漂”，而没掉落下来。未来，随着观测能力的提升，我们可能会看到越来越多这种“太空水漂”事件。这将为我们了解地球大气的上层和小行星的相互作用提供更多信息。
系外小行星和星际水漂
除了太阳系的小行星，最近几年科学家们已经发现了来自太阳系外的小行星，其中一颗叫作奥陌陌（Oumuamua），它是一颗雪茄形状（也有研究表明是盘状）的小行星。和太阳系内的小行星相比，奥陌陌的运动速度要快得多。这是我们能确认它来自太阳系外的一个重要证据。和太阳系内的小行星一样，这颗来自星际空间的小行星也是有自转的。
奥陌陌的艺术想象图（图源：美国航空航天局）
星际空间有很多小行星，可能来自类似奥尔特云的区域。除了奥陌陌这种进入太阳的外来小行星，在太阳系和星际介质的边界处，外来的小行星是不是也会旋转着打出漂亮的“星际水漂”呢？这个问题就留给未来的你们去探索!
本文来自《知识就是力量》杂志，原标题《星星是如何打水漂的》，作者钱磊、郭亮，有删改，原创作品转载请注明来源。
