小行星飞向高楼：让小行星漂一会儿

小行星飞向高楼：让小行星漂一会儿被摧毁的德国鲁尔水坝仿制的沃利斯跳弹原型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

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。

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。

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。

仿制的沃利斯跳弹原型

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。

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。

系外小行星和星际水漂

除了太阳系的小行星，最近几年科学家们已经发现了来自太阳系外的小行星，其中一颗叫作奥陌陌（Oumuamua），它是一颗雪茄形状（也有研究表明是盘状）的小行星。和太阳系内的小行星相比，奥陌陌的运动速度要快得多。这是我们能确认它来自太阳系外的一个重要证据。和太阳系内的小行星一样，这颗来自星际空间的小行星也是有自转的。

奥陌陌的艺术想象图（图片来源/美国航天航空局）

星际空间有很多小行星，可能来自类似奥尔特云的区域。除了奥陌陌这种进入太阳的外来小行星，在太阳系和星际介质的边界处，外来的小行星是不是也会旋转着打出漂亮的“星际水漂”呢？这个问题就留给未来的你们去探索！

原文标题：当小行星在太空中打了一个水漂……

来源：知识就是力量

编辑：yrLewis