“打水漂”中的物理知识

“打水漂”中的物理知识

摘要

“打水漂”是人类最古老的游戏之一，是指用扁型瓦片或石片，在手上呈水平放置后，用力飞出，石片擦水面飞行，石片碰水面后遇水面再弹起再飞，石片不断在水面上向前弹跳，直至惯力用尽后沉水。

虽然这是日常生活常见的现象，但其中包含了丰富的物理知识，如旋进、流体表面张力、动量守恒等原理。水漂的影响力不仅在于游戏和运动，它对于航天器返回时载入大气层姿态的控制，汽车和飞机轮胎的设计等均产生了深远的影响。在这里，我们会向大家解释打水漂现象的实现并阐述打水漂现象的基本原理。

目录

一、“打水漂”的物理原理

二、“打水漂”的选材、最佳姿势和角度

三、历史实验得出结论

四、“打水漂”的动量守恒定律

一、“打水漂”的物理原理

根据流体力学的原理，流速越大压强越小。当密度比水大的物体掠过水面时，带动它下面的水在非常短的时间内快速流动，从而压强减小，而更下面的水是静止不动的，产生的压强大，如此就对物体产生一个压力，当压力大于物体的重力时，物体就会弹起，这样的情况重复多次，物体就会出现在水面上跳跃的情况。当压力小于重力时，物体就沉入水中。此外，当物体旋转时，能更加带动水的流动，跳跃的次数会更多。

打水漂时，需要瓷砖高速旋转，在与水面接触时，水面的弹性给了它向上的冲击力，而且瓷砖旋转越快，打的水漂飞得越高，如果扔瓷砖时向外的速度较快，打的水漂就越多。

二、“打水漂”的选材、最佳姿势和角度

首先选材料很重要的，要找那样比较扁的，最好用瓦片，身体向后倾斜，手臂与身体大约呈45°。半蹲，瞄准后用臂膀力量发射出去。用拇指和中指捏住，食指在后，扔出去的时候用食指拔下，让其旋转着扔出，角度应为20度。

（图一）

三、历史实验得出结论

1、在抛掷石头时,其初速必须超过某个临界值(2.5m/s)时才会发生弹跳。

2、弹跳次数多寡取决于石头入射水面时的速度,此速度则取决于石块抛掷的初速。

（图二）

3、弹跳次数亦取决于石头面的触水角度。石头面若能保持20度左右的“梦幻角度”撞击水面即可以得到最佳的打水漂效果，不仅能以最小的速率(2.5m/s)打出水漂，还可以使石头与水面碰触的时间降到最低，这代表因碰撞

消耗的能量较小，因此有更多的能量保留做后续的弹跳。但实际上，弹跳次数受角度不稳定因素限制，角度不稳定因素与运动速度无关,因此弹跳次数取决于与继续飞行至关重要的第一次弹跳。

4、旋转的石块能使飞行稳定，并且使其更容易受水面反弹、提高弹跳几率。

5、石头的质量愈大，愈不利于弹跳。

6、一般情况下，每一跳的距离大概在前一跳的80%，然而由于水面的不均匀，有些时候，也会出现后一跳距离长于前一跳的情况。

（图三）

四、“打水漂”的动量守恒定律

我们可以这样解释动量守恒定律在“打水漂”里发挥的作用，当石块与水面相接触时，石块将一部分水向下推开，石块与这部分水作为一个近似封闭的系统，遵循动量守恒，于是，石块向上弹起。由此产生的弹力可以近似的用流体压强乘以石块与水面接触面积来计算。我们假设这个弹力刚好等于石块的重力，由此我们可以简单推导出“打水漂”所需的最小速度。

附：最新世界纪录：43岁的拉塞尔·贝尔斯打破了世界打水漂纪录,他扔出的鹅卵石在宾夕法尼亚州的湖上前行了76米,跳跃51下。

参考文献：

① v. 71, Feb. 2003:151 p.

② v.427,Jan.1,2004:29 p.

③图一转自: v. 71, Feb. 2003:151 p.

④图二转自: v. 71, Feb. 2003:152 p.

⑤图三转自: v.427,Jan.1,2004:29 p.