讓小行星漂一會兒

2020-10-05 中科院物理所

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，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！

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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