@ 2016.02.15 , 13:41

打水漂背后的科学

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打水漂似乎只是童年你的回忆,但是背后的科学却帮助人类赢下了不止一次战争。现在来自犹他州立大学的研究者们正在揭示关于打水漂更多的知识,它们将应用在海军,航海和海洋工程上。

虽然听起来有点奇怪,但是如何在水面上跳跃确实是一个门重要的物理学科。在18世纪,英国海军上将纳尔逊发现让炮弹在水面跳跃可以增加射程和伤害。更加著名的案例是在二战中,1943年Barnes Wallis利用这个原理创造了“水上漂”炸弹,这种秘密武器摧毁了纳粹德国鲁尔区的水坝。

首先,在水面跳跃看起来很简单,实际上这跟物体的形状、大小、材质、表面纹理、摩擦力、流体力学、气体力学和转速都有着非常复杂的关系。其中任何一个因素的变化都会彻底影响其他因素。犹他州立大学的机械工程助理教授Tadd Truscott在纽波特海军水下作战中心和布朗大学的帮助下,研究者这个方程中的关键因素:弹性,或者说是物体撞击水面后如何变形。

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Truscott的实验看起来像是玩游戏,但是实验背后,他的团队却在接受美国海军的资助。他的工作可以帮助充气艇和其他软壳船只更加安全,或者为了娱乐目的,可以改进水面玩具的设计。

Truscott和他的团队在水箱中用不同材料制成的球体打水漂,并且用高速摄像头记录下结果。他们发现盘状有弹性的球体在实验中的表现最像我们小时候整天在水边寻找的扁平鹅卵石。根据犹他州立大学的介绍,撞击水面的压力在有弹性的球体上会比无弹性的石头产出更大的举升力。除此之外,通过研究弹性球体是如何跳跃的,团队不仅更好理解了水漂背后的物理原理,而且能够预测在一段距离内能够打几个水漂。

研究者们在研究的基础上提出了一系列应用,包括让弹性球体获得更高性能,类似水漂炸弹的武器,理解蛇怪蜥蜴如何在水面行走,以及充气艇和其他软壳船只等。

Truscott说:“研究同样帮助我们深刻理解了类似橡皮艇,鱼雷,滑水板以及滑水橇这类与水面互动且会产生弹性响应的物体的建模方法。这些物体的弹性会影响它们跟水面互动的方式,也正如我们所展示的一样,它们会产生跟刚性物体截然不同的反应。”

他们的研究发表在《自然》杂志上。

本文译自 gizmag,由译者 许叔 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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