1．打水漂 魔幻迎水角

將一塊扁平小石片貼水扔出去，讓它在水面彈跳并激起一串串漣漪、一朵朵水花，這就是打水漂，作為民間活動(dòng)歷史悠久，作為國(guó)際賽事只有二十余載。邊在空中飛行、邊在“蜻蜓點(diǎn)水”，原理似乎深?yuàn)W不可理解。它是怎么彈跳的？揭開(kāi)其神秘面紗，既可掌握增加彈跳次數(shù)的技巧，也可啟發(fā)水上和空中的一些應(yīng)用。原來(lái)，在入水時(shí)，水漂在腹部制造一個(gè)沖浪，憑慣性做沖浪騰空，當(dāng)然就能彈跳了。你得讓水漂抬起一個(gè)角度入水，才能壓出小沖浪，這個(gè)角度等于20度時(shí)你會(huì)像魔術(shù)師一樣讓水漂不停地彈跳。出手時(shí)讓水漂旋轉(zhuǎn)，它會(huì)飄得更直更穩(wěn)。

水漂彈跳的秘密 沖浪騰空（圖1.1）

在池塘邊，撿起一塊扁平的石塊，朝水面盡量水平地甩出去，使石塊擊水后，在水面連續(xù)彈跳，這就是打水漂。你可以把水漂為何能彈跳想象得極其復(fù)雜，甚至去看深?yuàn)W難懂的科學(xué)報(bào)道。可是，既然那么容易彈跳，道理就應(yīng)該十分簡(jiǎn)單。

大海邊波濤滾滾，沖浪愛(ài)好者踏著沖浪板，獲得速度后，像有速度的汽車(chē)沖上山坡一樣，沿著波浪的斜坡面向浪尖滑行，離開(kāi)浪尖時(shí)憑慣性騰空，再落到水面去追逐另外一個(gè)波浪。這叫沖浪運(yùn)動(dòng)，道理卻和水漂彈跳十分接近。

水漂抬起適當(dāng)?shù)慕嵌茸矒羲鏁r(shí)，將本來(lái)平靜如鏡的水面推出了一個(gè)小浪。小浪在水漂的腹部，或者說(shuō)水漂騎在小浪上。于是，水漂沿著像斜坡一樣的小浪，憑慣性就可以滑向空中，接著在重力作用下再次擊水，進(jìn)入下一輪彈跳。

如此，不難理解，水漂不能平著擊水，那樣產(chǎn)生不了有斜坡水面的小波浪。也不能垂直下砸，那樣就沒(méi)了向前滑行的慣性。

說(shuō)得更深一點(diǎn)，水漂壓水時(shí)推擠出有斜坡的浪，同時(shí)被水的撞擊力消化掉入水時(shí)向下運(yùn)動(dòng)的那個(gè)速度分量。當(dāng)這個(gè)向下運(yùn)動(dòng)分量完全消失后，就憑依然存在的水平速度慣性，在水漂尾部水壓以及水漂頭部一定的空氣升力輔助下，如同沖浪板，沿著小浪的斜坡向上爬，尾部到達(dá)浪尖后憑慣性騰空。

水平速度分量要求足夠大，騰空慣性才夠。垂直速度分量要合適，才能有效壓出斜波浪且不會(huì)突然沉下去。這就要求迎水角和入水角大小適中，否則要么水平速度不夠，要么垂直速度不夠或太高。

入水那一刻，水漂底面與水平面的夾角是迎水角。入水那一刻，飛行速度方向與水平面的夾角是入水角。每個(gè)角太大太小都不行。你可以分別想象是0度或90度這種極端情況時(shí)，看看會(huì)導(dǎo)致什么不利。于是一定有更合適的值。

迎水角和入水角加起來(lái)，就是水漂的底面與飛行方向的夾角，在航空上稱(chēng)為迎角（也稱(chēng)為攻角或沖角）。這個(gè)迎角使水漂能獲得空氣給它的一點(diǎn)升力（以后會(huì)介紹原因）。這個(gè)升力使水漂飛行時(shí)，不會(huì)下落太快，從而在彈跳幫助下飄得更遠(yuǎn)。迎水角和入水角到底多大合適？這個(gè)吸引了科學(xué)家的研究。

2004年，法國(guó)馬賽大學(xué)的非平衡現(xiàn)象研究所的克拉尼特、赫森和伯克特三位科學(xué)家制作了一個(gè)帶自動(dòng)反射裝置的打水漂機(jī)器，可以彈射出不同速度、轉(zhuǎn)速、迎水角和入水角的水漂（鋁制飛碟）。用高速攝像機(jī)拍攝水漂擊水和彈跳過(guò)程，獲得入水速度、迎水角、入水角和擊水時(shí)間。一旦水漂碰水，可在水面停留20毫秒以上才彈起來(lái)，這個(gè)過(guò)程就在筑小沖浪并騰空。水漂入水速度不能太低，否則漂不起來(lái)。在他們的試驗(yàn)中，這個(gè)速度必須在每秒2.5米以上。

他們發(fā)現(xiàn)：入水角不能超過(guò)45度，如果超過(guò)45度，就會(huì)直接入水，不會(huì)有彈跳；迎水角為20度時(shí)效果最好，即不管其他條件如何，如果迎水角是20度，那么彈跳次數(shù)最多。這一發(fā)現(xiàn)在2004年1月1日發(fā)表在英國(guó)著名科學(xué)雜志《自然》第427卷第29頁(yè)上。從此以后，20度這個(gè)迎水角，就被稱(chēng)為打水漂的魔幻角。

當(dāng)然，還有一些其他技巧，可幫助彈跳次數(shù)更多。在此之前，先看看一些比賽結(jié)果以及比賽規(guī)則。只有在某種規(guī)則約束下，結(jié)果才有意義。

民間與正規(guī)打水漂 水漂魚(yú)雷與打水漂飛行（圖1.2、圖1.3）

以適當(dāng)?shù)姆绞饺酉蛩娴氖瘔K，能在水面彈跳，普通老百姓偶爾也能發(fā)現(xiàn)存在這種現(xiàn)象。因此，民間一些人似乎從小就知道如何打水漂。

1989年由科爾曼·麥吉成立了北美打水漂協(xié)會(huì)并組織打水漂世界錦標(biāo)賽。該項(xiàng)賽事按彈跳次數(shù)記名次。2013年9月誕生的一個(gè)記錄是88次。1997年出現(xiàn)了蘇格蘭世界打水漂錦標(biāo)賽，賽事規(guī)則為按石塊漂浮距離記名次。其他一些賽事包括威爾斯公開(kāi)賽和英國(guó)公開(kāi)錦標(biāo)賽。曾有過(guò)漂浮120米的紀(jì)錄。要知道，擲標(biāo)槍的世界紀(jì)錄也就100米左右，手榴彈能扔出去40米都很難。如果向空中扔一塊石頭要落到120米遠(yuǎn)的地方，哪怕不考慮空氣阻力等，從離地2米的高度以45度這樣的能使自由落體飛得最遠(yuǎn)的角度出手，初速度至少需要達(dá)到34米/秒。讓手甩出這么高的初速度，難度極大。可見(jiàn)，水上漂可以輕易讓物體跑得更遠(yuǎn)。

賓夕法尼亞州的“河道水漂節(jié)錦標(biāo)賽”采用的比賽規(guī)則是：水漂賽手自帶一簍六個(gè)石片。石片必須是自然的，不能在石片上添加或剔除任何有助于產(chǎn)生推進(jìn)的東西。比賽之前，賽事裁判將檢查水漂石片是否滿足規(guī)則。對(duì)于特殊情況的裁定，裁判可以咨詢賓夕法尼亞州水漂最高委員會(huì)。最高委員會(huì)的裁定具有終審效力。

比賽開(kāi)始前，由某選手?jǐn)S漂，第二次出現(xiàn)漂亮的彈跳時(shí)，比賽即可開(kāi)始。每位選手有60秒完成一次擲漂。裁判將彈跳次數(shù)依次記錄。

有趣的是，水漂運(yùn)動(dòng)涉及一些專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)。這些術(shù)語(yǔ)的英文單詞目前在普通字典里很難找到。依據(jù)擲水漂的水平和發(fā)揮，水漂可能會(huì)出現(xiàn)彈漂、爬漂、沉漂、空漂和危漂等情況。

打水漂的原理也啟發(fā)了一些應(yīng)用。巴恩斯（Barnes Wallis）在“二戰(zhàn)”時(shí)期發(fā)明了水漂炸彈，1943年5月16日晚，英軍用水漂炸彈空襲了德國(guó)魯爾河上的三座大壩。炸彈在水面彈跳接近目標(biāo)，降低了高空瞄準(zhǔn)的要求。時(shí)速為390千米的轟炸機(jī)在距離大壩水平距離400米和垂直距離18米左右的高空，投下旋轉(zhuǎn)炸彈。水漂彈在水面彈跳的道理與普通水漂差不多。

普通飛機(jī)的飛行高度一般在20千米以下，利用稠密空氣產(chǎn)生的升力飛行。衛(wèi)星在100千米以上用軌道離心力飛行。在這兩個(gè)高度范圍的中間區(qū)域，兩種飛行方式都不足以支撐有效飛行，但“水漂式”高超聲速飛行可望解決問(wèn)題，雖然“彈跳”方式和打水漂不完全一樣。飛得低一點(diǎn)的時(shí)候，空氣足夠稠密從而發(fā)動(dòng)機(jī)能點(diǎn)火產(chǎn)生推力，但長(zhǎng)久平飛阻力很大；飛得高一點(diǎn)阻力小些，但空氣很稀薄從而發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法點(diǎn)火。可以設(shè)想在35～60千米的高度以打水漂形式波浪式飛行。在“浪”底，由于空氣稠密，可點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生的推力可使飛機(jī)爬飛到60千米高度。接近“浪”峰時(shí)，由于空氣稀薄發(fā)動(dòng)機(jī)只能熄火，但可憑爬飛階段獲得的慣性在阻力較低的“浪”尖高度滑翔一段距離。這樣波浪式飛行，一個(gè)波浪就將近飛500千米的距離。

讓水漂彈跳次數(shù)更多

我們希望彈跳次數(shù)越多越好，漂得越遠(yuǎn)越好。可是，我們普通人扔出去的漂，能彈跳10次就不錯(cuò)了。水漂在經(jīng)歷甩手、脫手、空中飛行、擊水、彈跳和再入水的過(guò)程中，其實(shí)會(huì)涉及較為復(fù)雜的飛行原理以及與水的作用過(guò)程。史密斯就給出了一個(gè)打水漂方程式，來(lái)描述這些作用。

經(jīng)過(guò)科學(xué)指導(dǎo)的打水漂則能將彈跳次數(shù)提高到數(shù)十次。例如，科爾曼·麥吉以12米/秒的速度和每秒14圈的轉(zhuǎn)速扔出石塊，彈跳次數(shù)達(dá)到了38次。

除了使迎水角接近20度、入水角盡量小、出手時(shí)讓水漂旋轉(zhuǎn)外，水漂的尺寸也有講究。扁平石頭厚度不超過(guò)6毫米，且直徑在3～6厘米。石頭的密度一般為每立方厘米2.5～3.3克，即每立方米2.5～3.3噸。如果取平均值，那么大致是2.9克/立方厘米。對(duì)于直徑在5厘米，厚度為6毫米的石片，體積大致是12立方厘米，重量大致是34克，即不到1兩的重量。

如果觀看北美河道水漂節(jié)比賽視頻，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，賽手在扔水漂時(shí)，身體向后傾斜，手臂與身體呈45度左右。一般用大拇指與中指夾住石片，而用食指勾住石片外圓周。甩水漂時(shí)，出手高度離水面不要太高，以使入水角遠(yuǎn)小于45度；抬起石片，讓其迎水角接近20度，同時(shí)盡量讓石片高速旋轉(zhuǎn)（在出手時(shí)，勾住外圓周的食指用力旋轉(zhuǎn)）。

之所以要旋轉(zhuǎn)，是因?yàn)槭w出去后，姿態(tài)可能不平，可能是一側(cè)先觸水。這樣，石片可能跑偏或者出現(xiàn)不必要的翻滾。如果高速旋轉(zhuǎn)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)助穩(wěn)效應(yīng)（因?yàn)樾D(zhuǎn)也是一種慣性，稍微一點(diǎn)點(diǎn)擾動(dòng)很難改變姿態(tài)），使飛行的石片保持基本穩(wěn)定，使石片彈跳次數(shù)盡可能多。

如果彈跳次數(shù)多，漂行距離遠(yuǎn)，那么就可以欣賞到豐富的水面波動(dòng)現(xiàn)象。在每個(gè)落水點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生一串串波紋，呈圓形向外擴(kuò)展。這樣一串串的由落水點(diǎn)發(fā)出的水波波紋，也稱(chēng)為漣漪。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些奇妙的現(xiàn)象，雖然石片的形狀不一定是圓的，但水面波紋是很圓的圓圈。前面時(shí)刻的落水點(diǎn)發(fā)出的圓圈擴(kuò)散的速度比石片滑行速度慢，因此一系列落水點(diǎn)留下的漣漪，影響范圍都在石片后面。但在末尾階段，石片如果因減速出現(xiàn)爬漂，即慢慢地在水面漂，那么漣漪波紋可能跑得比石片快。這些水面現(xiàn)象，是極其豐富的水面波現(xiàn)象的一部分。

石片擊水，一方面將水面擊打出漏斗一樣的壓痕形成小沖浪，另一方面激發(fā)出水花。石片彈開(kāi)后，周邊的水回填，產(chǎn)生震蕩，就激起了上面說(shuō)的漣漪。水花中的水滴尺寸有大有小，小的近似呈球形。有種力量將小水珠包成圓球形，這個(gè)力量稱(chēng)為表面張力。

石片的飛行原理和旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定作用，水面波動(dòng)現(xiàn)象，在后面會(huì)有更多的展示和討論。