當小行星在太空中打了一個水漂……

2020-10-06 遼瀋晚報瀋陽時刻

　　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，飛彈、載人太空飛行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·柏奎和克里斯多福·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的鋁製圓盤模擬石頭（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，早已提前在水裡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，製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。

　　仿製的沃利斯跳彈原型

　　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。

　　太空裡充滿了石塊和冰塊，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」。類比掠過水麵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，恆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。

　　奧陌陌的藝術想像圖（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！

來源：知識就是力量

相關焦點

  • 中國又一個「太空水漂」是如何完成的?
    中國又一個「太空水漂」是如何完成的？月17日電 題：中國又一個「太空水漂」是如何完成的？　　作者 郭超凱　　12月17日凌晨，嫦娥五號返回器以「太空打水漂」的形式返回地球，成功著陸在內蒙古四子王旗預定區域，中國首次月球採樣返回任務取得圓滿成功。　　「打水漂」是中國一種古老而有意思的遊戲，嫦娥五號的返回是中國打出的第二個「太空水漂」，第一個已在探月三期再入返回飛行試驗器上實現。
  • 讓小行星漂一會兒
    太空裡充滿了石塊和冰塊，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」。
  • 每日科普｜「打水漂」的小行星
    太空裡充滿了石塊和冰塊，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」。
  • 探測器收集器發生洩漏 小行星部分巖石樣本漂入太空 (2/2)
    探測器收集器發生洩漏 小行星部分巖石樣本漂入太空該探測器在小行星「本努」表面採集到巖石樣本並飛離後，一些樣本碎粒正不斷從探測器洩漏到太空中。圖為探測器採集巖石樣本模擬圖。 發布時間：2020-10-26 08:05:06 【編輯：李霈韻】 探測器收集器發生洩漏 小行星部分巖石樣本漂入太空
  • 出發容易回家難,嫦娥五號為什麼打個「水漂」才能到家?
    深夜蒼穹中，嫦娥五號的回家之路蘊含著重重威脅：返回器能否準確回到著陸區域上空？降落傘能否準時打開並切斷？在通信的「黑障區」，太空飛行器能否作出自主判斷？最具不確定性的一環，是返回器將兩次進入大氣層，仿佛打了個水漂。這個「水漂」會不會讓它滑得太遠，以至於找不到家？這個「水漂」學名是「半彈道跳躍式再入返回」，是比航天員返回還要複雜的技術。
  • 嫦五的「水漂」是這樣打的
    嫦娥五號返回器再入大氣模擬示意圖（圖片來源：航天科技集團五院）「打水漂」是一種古老而有意思的遊戲，嫦娥五號返回器就是採用這種類似「打水漂」的形式返回地球的，嫦娥五號的返回是我國打出的第二個「太空水漂」，第一個是在嫦娥五號飛行試驗器上實現的，那次任務是為此次任務做的技術探索，中國航天科技集團五院502所是嫦娥五號「太空水漂」技能的設計者。
  • 湖南水漂狀撞擊坑群(一星多坑) 初步論證
    水漂，就是這樣誕生的。嫦娥五號T1探測器 返回地面路線示意圖 圖源：網絡這是中國繼前蘇聯的探測器（Zond)6-8號之後，第二個成功實施太空飛行器從月球軌道返回，以「太空水漂—跳躍式再入 （Skip Re-entry）
  • 《地球引力》曝極簡版海報 漂向太空處境絕望
    《地球引力》曝極簡版海報 漂向太空處境絕望 時間：2013.08.01 來源：1905電影網 作者：何小沁
  • NASA:探測器收集器洩漏,「本努」部分巖石樣本漂入太空
    日前，該探測器在小行星「本努」(Bennu)表面採集到巖石樣本並飛離後，一些樣本碎粒正不斷從探測器洩漏到太空中。2016年9月，OSIRIS-REx探測器被發射升空，2018年底以來，探測器一直圍繞著「本努」運行，並將收集到的數據和圖像發回地球。圖為OSIRIS-REx探測器拍攝的小行星「本努」上的巖石。 本文圖片均來自中新網NASA於23日臨時舉行了新聞發布會。
  • 通古斯大爆炸的那顆小行星去哪了？英國科學家：已被彈回太空
    當然，這並不是最驚人的，真正引發眾人熱議的觀點是，這位英國科學家表示這顆撞擊地球引發通古斯大爆炸的小行星，後來又被彈回到了太空中。難道地球是一個「彈簧」？顯然，這是不可能的，那麼，這究竟是怎麼一回事呢？
  • 探測器收集器發生洩漏 小行星部分巖石樣本漂入太空
    該探測器在小行星「本努」表面採集到巖石樣本並飛離後，一些樣本碎粒正不斷從探測器洩漏到太空中。圖為太空飛行器SamCam攝像頭拍攝到NASA的OSIRIS-REx探測器的採樣頭裝滿了從小行星本努表面收集的巖石和灰塵。
  • 從太空巖石中開採水可能為星際旅行「提供燃料」
    這項具有裡程碑意義的新研究表明，這遠遠超過了月球兩極的冰凍水量，小行星體積小意味著它們的引力比行星要小，這使得它們更容易到達和離開目的地。一旦工程師們知道如何從這些小行星中提取水，他們就可以為下一代星際旅行提供充足的燃料。並且開採這些太空巖石將促進人類對太空的探索，因為它們將大大降低從地球發射火箭的費用。
  • 天文小知識 龍宮小行星:一個部分乾燥缺「水」的巖石天體
    據行星科學家發表在《科學》雜誌上的三篇論文報導，日本的隼鳥二號太空飛行器測繪了一個直徑為一千米的小行星的地形，這顆被命名為龍宮星，編號為162173的小行星看起來像一個巨大的、狀如陀螺的碎石堆。關於為什麼這個赤道脊沒有慢慢變得平坦這個問題，渡邊解釋道，這是一個開放式的問題，但是他認為這是因為龍宮星表面的物質不易崩塌他解釋道：「龍宮星上的物質之間的摩擦角似乎足夠大，因此使赤道脊變得平坦的這個過程會十分慢」在另一篇研究中，日本東京大學的一支由淺田誠治領導的研究團隊根據太空飛行器的近紅外光譜儀分析傳回的數據發現含水礦物遍布龍宮星的表面。
  • 專家揭秘:要先在大氣層上打個水漂
    中國探月工程科學應用首任首席科學家、被譽為「嫦娥之父」的歐陽自遠院士在接受環球網記者採訪過程中，講述了「嫦娥五號」探測器的返回器是如何返回地球的。歐陽自遠院士接受環球網記者採訪歐陽自遠院士表示，軌返組合體與上升器分離後，在環月軌道停留幾天，等待月地轉移窗口。在實施月地轉移入射機動後，進入月地轉移軌道。
  • 科幻強作《遠漂》帶你上太空
    科幻強作《遠漂》帶你上太空奧斯卡影后希拉蕊史旺再度扮演太空人，遠徵宇宙，探索無垠星空。。
  • 宇宙中的水要怎麼採?科學家神操作,捕獲小行星投放「迷你蜜蜂」
    筆者：三體-小遙 在人類探索宇宙的過程中，即便存在一些技術上的難題，我們也依然沒有停止過探索。在此基礎上，科學家們認為人類註定要走向太空，而在發展過程中，資源問題同樣需要得到解決。有很大一部分科學家認為，水資源在未來會扮演類似於石油的角色，我們需要做的就是不斷開發新的技術，從而更快、更好地為未來的太空移民提供支持。
  • 太空採礦時代已開啟,小行星帶是目標,小行星帶的相關事實
    同年，阿聯的「希望號」起飛，目標火星的氣候研究；美國的「毅力號」發射，目標尋找火星生命，為未來火星移民做準備；2020年11-12月，嫦娥5號月球採樣成功；2020年12月，日本「隼鳥2號」攜帶小行星樣本成功返回……毫無疑問，未來的日子，人類太空資源競爭會來越激烈。除了火星及月球，小行星帶豐富的礦產資源無疑成為各國的目標。下面我們關重介紹一下小行星帶。
  • 通古斯大爆炸新解釋：奇異天體在高空打了個「水漂」又飛出地球
    但是，卡薩耶夫卻因此得出了一個非常科幻，甚至有點兒戲的結論：他認為通古斯大爆炸是一艘外星人駕駛的核動力宇宙飛船，在降落過程中發生故障而引起的一場核爆炸（把一切神秘事件都推給上帝或者外星人應該是最簡單也是最不負責任的科學推定）。
  • 太空中漂浮著5個人類遺體,一個葬在月球,一個正漂往太陽系外!
    自古以來我們人類都是喜歡研究一些奇聞異事，越是具有難度的就更能引起我們的好奇心，在很久以前我們人類還沒有望遠鏡的時候，我們只能有肉眼去直視我們能看到的星空和變化，在這幾年隨著科技越來越發達，人類一次次的挑戰極限，在蘇聯抗爭時期，蘇聯就憑自己技術的優勢，成功的成為首個進入太空的人類，
  • 太空淘金熱?英科學家欲捕獲小行星 蘊含貴金屬價值極其驚人
    人類的下一次淘金熱可能發生在環繞地球的小行星上。這是一組英國科學家得出的結論，他們發明了一種技術，可以使穿越太空的巖石轉向我們的星球，使它們更容易被開採。專家認為,小行星富含多種貴金屬，比如鉑和金,若能轉化為財富，相當於地球上每一個人都能得到750億英鎊(約1000億美元)。