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讓小行星漂一會兒

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2020年10月10日 -
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中國科學院物理研究所大家一定都玩過打水漂吧？能夠打個漂亮的多次水漂是一件非常令人興奮的事。 但是你知道嗎，除了石頭，導彈、載人航天器返回艙甚至是外太空的星星也會打水漂呢！今天就讓我們一探究竟。 打水漂是一個非常嚴肅的科學問題很多人都玩過打水漂的遊戲，技巧是在水邊選一塊扁平且重量適中的石頭，然後側向水面加一些旋轉丟出去，石頭就會在水上一跳一跳地躍向遠方。 如果技術夠好，使用雪茄形狀的石頭也可以打出水漂。 據說打水漂的世界紀錄是跳躍91次。 打水漂那麼為什麼沉下去的石頭，會再次跳上來？這其實是一個比較複雜的力學問題。 在打水漂時，石頭的速度很快，所以與石頭接觸的那層水會獲得很高的速度。 按照流體力學中的伯努利定律，流體的速度愈大，壓強愈小。 所以，貼著石頭的那層水速度很快，壓強較低，但是更下層的水幾乎是靜止的，所以壓強較大。 這個壓力差就會推動這層水向上運動，帶動石頭跳起來。 當然，石頭的形狀、重量、姿態、入水角度、初速度、旋轉等因素都會影響打水漂的效果，法國的物理學家利達瑞·柏奎和克裏斯托弗·克蘭尼等就對打水漂做了很深入的研究，他們用一個半徑為R，厚度為h的鋁制圓盤模擬石頭（如石塊打水漂的力學模型分析圖），這個石頭自身的姿態角（攻角）為α，而石頭與水面接觸時的瞬時速度方向與水平方向的夾角為β、石頭旋轉的角速度為Ω、石頭的速度矢量為U。 通過改變速度和姿態等參數，利用多次實驗得到了能否成功打水漂的結論。 在石頭的速度為3.5米/秒，入水角度大於55度時，就無法打水漂了，而當入水角度在20度左右，將獲得最佳彈跳效果。 二戰期間，英國著名發明家巴恩斯·沃利斯在對打水漂進行深入研究後，發明了著名的跳彈。 當時的英軍要炸毀德軍非常重要的3座大壩，而德軍為防止英軍空投魚雷，早已提前在水裏布置了大量的魚雷網。 沃利斯利用打水漂的原理，經過精確計算，研究出了飛機的速度、高度，參考炸彈的重量等參數，制成的跳彈可以像石頭一樣在水面上跳躍，最終突破了德軍的水下魚雷防禦網，成功炸毀了目標。 仿制的沃利斯跳彈原型被摧毀的德國魯爾水壩小行星也喜歡在太空中打水漂在一定條件下，地球的大氣層也可以作為“水面”，讓飛行器和一些小天體實現“太空水漂”。 中國的探月工程返回艙，就是通過打水漂的方式實現降速進入大氣層的。 大氣層從太空到地面是由稀到稠的漸變，也可以看作一個類似水面的流體界面。 由於返回艙的速度非常快，如果垂直於界面進入大氣，飛行器可能會由於摩擦發熱而燒毀。 而如果返回時與大氣界面的夾角過小，就相當於在大氣上打水漂，有可能無法落地，最終跳出地球範圍。 為了讓返回艙能夠既通過打水漂減速，又不被彈走，就需要科學家們進行精密的計算和設計了。 太空裏充滿了石塊和冰塊，有些是早期太陽系形成時剩下來的小行星、彗星，有些是小行星撞擊行星，濺射產生的石塊。 這些石塊時不時會向地球飛來，很多時候擦肩而過，而有時候也會落入地球大氣，形成流星；沒有完全燒毀的石塊則會落到地面成為隕石。 除了這兩種情況，這些太空石塊也有可能進入地球大氣上層，又被彈回太空，就像在地球大氣中打了個“水漂”。 類比掠過水面的石塊和再入大氣層的飛行器，要實現這種小行星的“太空水漂”，同樣要滿足一定條件。 行星略過地球，打了一個星際水漂小行星形狀通常不規則，有啞鈴形、雪茄形。 由於YORP效應（由於小行星的形狀不規則，恒星的輻射導致小行星產生自轉的一種效應）等物理過程的長期影響，小行星通常都在旋轉，角速度通常沿轉動慣量最大的軸。 啞鈴形和雪茄形的小行星旋轉起來就像竹蜻蜓。 和打水漂的石塊一樣，如果角度合適，小行星就可以被地球大氣彈走，完成一次“太空水漂”。 不過，由於小行星速度通常非常快，只能在地球大氣上層完成一次“水漂”，像水漂高手那樣用石塊在水面上打出彈跳幾十次的水漂，對於小行星來說幾乎是不可能完成的任務。 在現實中，人類就曾經觀測到小行星的“太空水漂”。 1972年曾有一顆小行星在大氣層界面上完美地打了一個“水漂”，而沒掉落下來。 未來，隨著觀測能力的提升，我們可能會看到越來越多這種“太空水漂”事件。 這將為我們了解地球大氣的上層和小行星的相互作用提供更多信息。 系外小行星和星際水漂除了太陽系的小行星，最近幾年科學家們已經發現了來自太陽系外的小行星，其中一顆叫作奧陌陌（Oumuamua），它是一顆雪茄形狀（也有研究表明是盤狀）的小行星。 和太陽系內的小行星相比，奧陌陌的運動速度要快得多。 這是我們能確認它來自太陽系外的一個重要證據。 和太陽系內的小行星一樣，這顆來自星際空間的小行星也是有自轉的。 奧陌陌的藝術想象圖（圖片來源/美國航天航空局）星際空間有很多小行星，可能來自類似奧爾特雲的區域。 除了奧陌陌這種進入太陽的外來小行星，在太陽系和星際介質的邊界處，外來的小行星是不是也會旋轉著打出漂亮的“星際水漂”呢？這個問題就留給未來的你們去探索！原文標題：當小行星在太空中打了一個水漂……來源：知識就是力量編輯：yrLewis
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中國科學院物理研究所

大家一定都玩過打水漂吧？能夠打個漂亮的多次水漂是一件非常令人興奮的事。但是你知道嗎，除了石頭，導彈、載人航天器返回艙甚至是外太空的星星也會打水漂呢！今天就讓我們一探究竟。

打水漂是一個非常嚴肅的科學問題

很多人都玩過打水漂的遊戲，技巧是在水邊選一塊扁平且重量適中的石頭，然後側向水面加一些旋轉丟出去，石頭就會在水上一跳一跳地躍向遠方。如果技術夠好，使用雪茄形狀的石頭也可以打出水漂。據說打水漂的世界紀錄是跳躍91次。

打水漂

那麼為什麼沉下去的石頭，會再次跳上來？這其實是一個比較複雜的力學問題。在打水漂時，石頭的速度很快，所以與石頭接觸的那層水會獲得很高的速度。按照流體力學中的伯努利定律，流體的速度愈大，壓強愈小。所以，貼著石頭的那層水速度很快，壓強較低，但是更下層的水幾乎是靜止的，所以壓強較大。這個壓力差就會推動這層水向上運動，帶動石頭跳起來
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當然，石頭的形狀、重量、姿態、入水角度、初速度、旋轉等因素都會影響打水漂的效果，法國的物理學家利達瑞·柏奎和克裏斯托弗·克蘭尼等就對打水漂做了很深入的研究，他們用一個半徑為R，厚度為h的鋁制圓盤模擬石頭（如石塊打水漂的力學模型分析圖），這個石頭自身的姿態角（攻角）為α，而石頭與水面接觸時的瞬時速度方向與水平方向的夾角為β、石頭旋轉的角速度為Ω、石頭的速度矢量為U。通過改變速度和姿態等參數，利用多次實驗得到了能否成功打水漂的結論。在石頭的速度為3.5米/秒，入水角度大於55度時，就無法打水漂了，而當入水角度在20度左右，將獲得最佳彈跳效果。

二戰期間，英國著名發明家巴恩斯·沃利斯在對打水漂進行深入研究後，發明了著名的跳彈。當時的英軍要炸毀德軍非常重要的3座大壩，而德軍為防止英軍空投魚雷，早已提前在水裏布置了大量的魚雷網。沃利斯利用打水漂的原理，經過精確計算，研究出了飛機的速度、高度，參考炸彈的重量等參數，制成的跳彈可以像石頭一樣在水面上跳躍，最終突破了德軍的水下魚雷防禦網，成功炸毀了目標。

仿制的沃利斯跳彈原型

被摧毀的德國魯爾水壩

小行星也喜歡在太空中打水漂

在一定條件下，地球的大氣層也可以作為“水面”，讓飛行器和一些小天體實現“太空水漂”。中國的探月工程返回艙，就是通過打水漂的方式實現降速進入大氣層的。大氣層從太空到地面是由稀到稠的漸變，也可以看作一個類似水面的流體界面。由於返回艙的速度非常快，如果垂直於界面進入大氣，飛行器可能會由於摩擦發熱而燒毀。而如果返回時與大氣界面的夾角過小，就相當於在大氣上打水漂，有可能無法落地，最終跳出地球範圍。為了讓返回艙能夠既通過打水漂減速，又不被彈走，就需要科學家們進行精密的計算和設計了。

太空裏充滿了石塊和冰塊，有些是早期太陽系形成時剩下來的小行星、彗星，有些是小行星撞擊行星，濺射產生的石塊。這些石塊時不時會向地球飛來，很多時候擦肩而過，而有時候也會落入地球大氣，形成流星；沒有完全燒毀的石塊則會落到地面成為隕石。除了這兩種情況，這些太空石塊也有可能進入地球大氣上層，又被彈回太空，就像在地球大氣中打了個“水漂”。類比掠過水面的石塊和再入大氣層的飛行器，要實現這種小行星的“太空水漂”，同樣要滿足一定條件。

行星略過地球，打了一個星際水漂

小行星形狀通常不規則，有啞鈴形、雪茄形。由於YORP效應（由於小行星的形狀不規則，恒星的輻射導致小行星產生自轉的一種效應）等物理過程的長期影響，小行星通常都在旋轉，角速度通常沿轉動慣量最大的軸。啞鈴形和雪茄形的小行星旋轉起來就像竹蜻蜓。和打水漂的石塊一樣，如果角度合適，小行星就可以被地球大氣彈走，完成一次“太空水漂”。不過，由於小行星速度通常非常快，只能在地球大氣上層完成一次“水漂”，像水漂高手那樣用石塊在水面上打出彈跳幾十次的水漂，對於小行星來說幾乎是不可能完成的任務。

在現實中，人類就曾經觀測到小行星的“太空水漂”。1972年曾有一顆小行星在大氣層界面上完美地打了一個“水漂”，而沒掉落下來。未來，隨著觀測能力的提升，我們可能會看到越來越多這種“太空水漂”事件。這將為我們了解地球大氣的上層和小行星的相互作用提供更多信息。

系外小行星和星際水漂

除了太陽系的小行星，最近幾年科學家們已經發現了來自太陽系外的小行星，其中一顆叫作奧陌陌（Oumuamua），它是一顆雪茄形狀（也有研究表明是盤狀）的小行星。和太陽系內的小行星相比，奧陌陌的運動速度要快得多。這是我們能確認它來自太陽系外的一個重要證據。和太陽系內的小行星一樣，這顆來自星際空間的小行星也是有自轉的。

奧陌陌的藝術想象圖（圖片來源/美國航天航空局）

星際空間有很多小行星，可能來自類似奧爾特雲的區域。除了奧陌陌這種進入太陽的外來小行星，在太陽系和星際介質的邊界處，外來的小行星是不是也會旋轉著打出漂亮的“星際水漂”呢？這個問題就留給未來的你們去探索！

原文標題：當小行星在太空中打了一個水漂……

來源：知識就是力量

編輯：yrLewis