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大发体育:许多物理学家都对漂流水中的弹跳石头着迷

时间:2021/6/10 10:15:17  作者:  来源:  浏览:14  评论:0
内容摘要:许多物理学家都对漂流水中的弹跳石头着迷。一块石头能跳多久取决于它的旋转、速度、石头的形状和投掷的角度。当一块石头碰到水面时,冲击力将一部分水往下推,石头就会受到向上的反作用力。如果石头移动得足够快,达到最小速度阈值,它会反弹;否则,它将会沉没。而要想做出完美的水漂,最好选择圆形、扁平的石头,因为这种石头有很大的表面积,...

许多物理学家都对漂流水中的弹跳石头着迷。一块石头能跳多久取决于它的旋转、速度、石头的形状和投掷的角度。当一块石头碰到水面时,冲击力将一部分水往下推,石头就会受到向上的反作用力。如果石头移动得足够快,达到最小速度阈值,它会反弹;否则,它将会沉没。而要想做出完美的水漂,最好选择圆形、扁平的石头,因为这种石头有很大的表面积,当它碰到水的时候,可以把更多的水推开。


法国物理学家Lyderic Bocquet和Christophe clinet在2004年的实验证明了这一点。他们建造了一个弹射装置,将铝锅对准水箱,然后用高速摄像机记录溅起的水。他们发现,为了保持稳定的跳跃,石头必须达到一个最小的旋转速度(碰撞期间至少有一个旋转)。换句话说,石头依赖于陀螺仪效应。在这种作用下,旋转的物体更容易保持自己的方向。有经验的水上玩家通常只需要用手指轻敲石头就能旋转它们。


Bocquet和clinet的实验帮助他们决定如何最大化弹跳次数。最明显的解决办法是尽可能快地扔石头,因为反弹的次数与扔石头的速度成正比。但除此之外,它必须能够平衡投掷的速度和运动的方向。即使使用弹射器,研究人员最多也只能实现大约20次弹跳——远低于2013年创下的88次弹跳的世界纪录。


他们进一步研究后发现,石头不再弹跳,不是因为石头的速度变慢了,而是因为它的轨迹随着时间变平了。Bocquet和clinet认为,石头相对于水面的角度造成了这种现象。石块向下运动时,所排出的水比向上运动时所排出的水多,所以随着时间的推移,动量传递越来越少,举升力逐渐减小。最终,石头不再有足够的能量跳跃,它会下沉。他们的实验表明,石头与水面的最佳夹角为10-20度。


一个团队试图将一个可弯曲的球体扔到水面上,并使用高速摄像机捕捉球体的运动。弹性球比岩石更有弹性,所以当它们碰到水面时,会被挤压变形成圆盘,呈现出理想的形状。由于弹性球的变形与它们撞击水面的角度无关,且速度阈值较低,因此更容易实现更多的反弹。研究人员称,只要练习10分钟,任何人都可以在水面上弹起一个有弹性的球体20次。

在历史上,科学家们已经将水上漂浮的经验应用到许多领域。例如,在1578年左右,数学家威廉·伯恩(William Bourne)指出,从一艘船上以足够低的角度发射的炮弹可能会在水面上反弹,击中甲板,损坏目标船的桅杆。第二次世界大战期间,英国工程师巴恩斯·沃利斯提出了臭名昭著的“弹跳炸弹”设计。这种武器可以在击中目标之前在水面反弹,然后下沉并在水下爆炸,类似于深水炸弹。


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