江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

科学|当小行星在太空中打了一个水漂……

大家一定都玩过打水漂吧？能够打个漂亮的多次水漂是一件非常令人兴奋的事 。但是你知道吗，除了石头，导弹、载人航天器返回舱甚至是外太空的星星也会打水漂呢！今天就让我们一探究竟 。
打水漂是一个非常严肃的科学问题
很多人都玩过打水漂的游戏，技巧是在水边选一块扁平且重量适中的石头，然后侧向水面加一些旋转丢出去，石头就会在水上一跳一跳地跃向远方 。如果技术够好，使用雪茄形状的石头也可以打出水漂 。据说打水漂的世界纪录是跳跃91次 。
科学|当小行星在太空中打了一个水漂……
文章图片
打水漂
那么为什么沉下去的石头，会再次跳上来？这其实是一个比较复杂的力学问题 。在打水漂时，石头的速度很快，所以与石头接触的那层水会获得很高的速度 。按照流体力学中的伯努利定律，流体的速度愈大，压强愈小 。所以，贴着石头的那层水速度很快，压强较低，但是更下层的水几乎是静止的，所以压强较大 。这个压力差就会推动这层水向上运动，带动石头跳起来 。
当然，石头的形状、重量、姿态、入水角度、初速度、旋转等因素都会影响打水漂的效果，法国的物理学家利达瑞·柏奎和克里斯托弗·克兰尼等就对打水漂做了很深入的研究，他们用一个半径为R，厚度为h的铝制圆盘模拟石头（如石块打水漂的力学模型分析图），这个石头自身的姿态角（攻角）为α，而石头与水面接触时的瞬时速度方向与水平方向的夹角为β、石头旋转的角速度为Ω、石头的速度矢量为U 。通过改变速度和姿态等参数，利用多次实验得到了能否成功打水漂的结论 。在石头的速度为3.5米/秒，入水角度大于55度时，就无法打水漂了，而当入水角度在20度左右，将获得最佳弹跳效果 。
科学|当小行星在太空中打了一个水漂……
文章图片
二战期间，英国著名发明家巴恩斯·沃利斯在对打水漂进行深入研究后，发明了著名的跳弹 。当时的英军要炸毁德军非常重要的3座大坝，而德军为防止英军空投鱼雷，早已提前在水里布置了大量的鱼雷网 。沃利斯利用打水漂的原理，经过精确计算，研究出了飞机的速度、高度，参考炸弹的重量等参数，制成的跳弹可以像石头一样在水面上跳跃，最终突破了德军的水下鱼雷防御网，成功炸毁了目标 。
科学|当小行星在太空中打了一个水漂……
文章图片
仿制的沃利斯跳弹原型
科学|当小行星在太空中打了一个水漂……
文章图片
被摧毁的德国鲁尔水坝
小行星也喜欢在太空中打水漂
在一定条件下，地球的大气层也可以作为“水面”，让飞行器和一些小天体实现“太空水漂” 。中国的探月工程返回舱，就是通过打水漂的方式实现降速进入大气层的 。大气层从太空到地面是由稀到稠的渐变，也可以看作一个类似水面的流体界面 。由于返回舱的速度非常快，如果垂直于界面进入大气，飞行器可能会由于摩擦发热而烧毁 。而如果返回时与大气界面的夹角过小，就相当于在大气上打水漂，有可能无法落地，最终跳出地球范围 。为了让返回舱能够既通过打水漂减速，又不被弹走，就需要科学家们进行精密的计算和设计了 。
太空里充满了石块和冰块，有些是早期太阳系形成时剩下来的小行星、彗星，有些是小行星撞击行星，溅射产生的石块 。这些石块时不时会向地球飞来，很多时候擦肩而过，而有时候也会落入地球大气，形成流星；没有完全烧毁的石块则会落到地面成为陨石 。除了这两种情况，这些太空石块也有可能进入地球大气上层，又被弹回太空，就像在地球大气中打了个“水漂” 。类比掠过水面的石块和再入大气层的飞行器，要实现这种小行星的“太空水漂”，同样要满足一定条件 。
科学|当小行星在太空中打了一个水漂……
文章图片
【科学|当小行星在太空中打了一个水漂……】行星略过地球，打了一个星际水漂
小行星形状通常不规则，有哑铃形、雪茄形 。由于YORP效应（由于小行星的形状不规则，恒星的辐射导致小行星产生自转的一种效应）等物理过程的长期影响，小行星通常都在旋转，角速度通常沿转动惯量最大的轴 。哑铃形和雪茄形的小行星旋转起来就像竹蜻蜓 。和打水漂的石块一样，如果角度合适，小行星就可以被地球大气弹走，完成一次“太空水漂” 。不过，由于小行星速度通常非常快，只能在地球大气上层完成一次“水漂”，像水漂高手那样用石块在水面上打出弹跳几十次的水漂，对于小行星来说几乎是不可能完成的任务 。
在现实中，人类就曾经观测到小行星的“太空水漂” 。1972年曾有一颗小行星在大气层界面上完美地打了一个“水漂”，而没掉落下来 。未来，随着观测能力的提升，我们可能会看到越来越多这种“太空水漂”事件 。这将为我们了解地球大气的上层和小行星的相互作用提供更多信息 。


推荐阅读


上一篇：财华社|泛海系逾3亿再购恒大(03333-HK)票据

下一篇：机智玩机机|小米MIX4抢首发！，骁龙875发布时间曝光：性能超猛