学会打水漂


physixfan,细推物理须行乐 何用浮名绊此身…

一篇 2004 年的 Nature 文章[1]里介绍了打水漂的秘诀:神秘角度 20°。这篇文章通过系统的实验发现,无论自旋角速度、抛射速度如何,石头与水面的攻角在 20°时,石头与水面的接触时间都最少,而该接触时间决定了能量损耗的大小,接触时间越短能量损耗越少,因此 20°角是打水漂的关键。注意这里攻角的定义是石头圆盘那个面与水面的夹角,不是入射速度方向与水面的夹角(此角度在 15°~40°之间都对结果影响很小)。

后来一篇 2005 年的 PRL 文章[2]通过数值模拟重复出了同样的结论,并且给了理论解释。上图出自[2]。

石头的自旋角速度可以让石头的运动更加稳定,尽量维持攻角不变,其原理即陀螺仪的原理,角动量守恒[3]。因此自旋角速度越大越好。

石头的抛射速度代表了初始平动动能的大小,每次石头与水面碰撞一次讲损失一定的能量,到最后能量太低时石头就落入水中了。文献[4]证明了如果水平速度可以维持不变的话,那么打水漂可以永远进行下去。因此抛射速度也是越大越好。

至于石头的形状,和经验一致,就是扁圆盘状最佳。

以上囊括了打水漂的所有要素:用扁圆盘状石头,攻角要尽量做到是 20°,自旋角速度越大越好,抛射速度越大越好。祝你成功!

以下是参考文献:

[1] http://www.nature.com/nature/journal/v427/n6969/full/427029a.html

[2] Phys. Rev. Lett. 94, 174501 (2005)

[3] http://scitation.aip.org/docserver/fulltext/aapt/journal/ajp/71/2/1.1519232.pdf?expires=1420602904&id=id&accname=2103967&checksum=9896F3040A94B3F7720F85F74C56445E

[4] Continual skipping on water

[5] Stone skipping

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