1．打水漂 魔幻迎水角

将一块扁平小石片贴水扔出去，让它在水面弹跳并激起一串串涟漪、一朵朵水花，这就是打水漂，作为民间活动历史悠久，作为国际赛事只有二十余载。边在空中飞行、边在“蜻蜓点水”，原理似乎深奥不可理解。它是怎么弹跳的？揭开其神秘面纱，既可掌握增加弹跳次数的技巧，也可启发水上和空中的一些应用。原来，在入水时，水漂在腹部制造一个冲浪，凭惯性做冲浪腾空，当然就能弹跳了。你得让水漂抬起一个角度入水，才能压出小冲浪，这个角度等于20度时你会像魔术师一样让水漂不停地弹跳。出手时让水漂旋转，它会飘得更直更稳。

水漂弹跳的秘密 冲浪腾空（图1.1）

在池塘边，捡起一块扁平的石块，朝水面尽量水平地甩出去，使石块击水后，在水面连续弹跳，这就是打水漂。你可以把水漂为何能弹跳想象得极其复杂，甚至去看深奥难懂的科学报道。可是，既然那么容易弹跳，道理就应该十分简单。

大海边波涛滚滚，冲浪爱好者踏着冲浪板，获得速度后，像有速度的汽车冲上山坡一样，沿着波浪的斜坡面向浪尖滑行，离开浪尖时凭惯性腾空，再落到水面去追逐另外一个波浪。这叫冲浪运动，道理却和水漂弹跳十分接近。

水漂抬起适当的角度撞击水面时，将本来平静如镜的水面推出了一个小浪。小浪在水漂的腹部，或者说水漂骑在小浪上。于是，水漂沿着像斜坡一样的小浪，凭惯性就可以滑向空中，接着在重力作用下再次击水，进入下一轮弹跳。

如此，不难理解，水漂不能平着击水，那样产生不了有斜坡水面的小波浪。也不能垂直下砸，那样就没了向前滑行的惯性。

说得更深一点，水漂压水时推挤出有斜坡的浪，同时被水的撞击力消化掉入水时向下运动的那个速度分量。当这个向下运动分量完全消失后，就凭依然存在的水平速度惯性，在水漂尾部水压以及水漂头部一定的空气升力辅助下，如同冲浪板，沿着小浪的斜坡向上爬，尾部到达浪尖后凭惯性腾空。

水平速度分量要求足够大，腾空惯性才够。垂直速度分量要合适，才能有效压出斜波浪且不会突然沉下去。这就要求迎水角和入水角大小适中，否则要么水平速度不够，要么垂直速度不够或太高。

入水那一刻，水漂底面与水平面的夹角是迎水角。入水那一刻，飞行速度方向与水平面的夹角是入水角。每个角太大太小都不行。你可以分别想象是0度或90度这种极端情况时，看看会导致什么不利。于是一定有更合适的值。

迎水角和入水角加起来，就是水漂的底面与飞行方向的夹角，在航空上称为迎角（也称为攻角或冲角）。这个迎角使水漂能获得空气给它的一点升力（以后会介绍原因）。这个升力使水漂飞行时，不会下落太快，从而在弹跳帮助下飘得更远。迎水角和入水角到底多大合适？这个吸引了科学家的研究。

2004年，法国马赛大学的非平衡现象研究所的克拉尼特、赫森和伯克特三位科学家制作了一个带自动反射装置的打水漂机器，可以弹射出不同速度、转速、迎水角和入水角的水漂（铝制飞碟）。用高速摄像机拍摄水漂击水和弹跳过程，获得入水速度、迎水角、入水角和击水时间。一旦水漂碰水，可在水面停留20毫秒以上才弹起来，这个过程就在筑小冲浪并腾空。水漂入水速度不能太低，否则漂不起来。在他们的试验中，这个速度必须在每秒2.5米以上。

他们发现：入水角不能超过45度，如果超过45度，就会直接入水，不会有弹跳；迎水角为20度时效果最好，即不管其他条件如何，如果迎水角是20度，那么弹跳次数最多。这一发现在2004年1月1日发表在英国著名科学杂志《自然》第427卷第29页上。从此以后，20度这个迎水角，就被称为打水漂的魔幻角。

当然，还有一些其他技巧，可帮助弹跳次数更多。在此之前，先看看一些比赛结果以及比赛规则。只有在某种规则约束下，结果才有意义。

民间与正规打水漂 水漂鱼雷与打水漂飞行（图1.2、图1.3）

以适当的方式扔向水面的石块，能在水面弹跳，普通老百姓偶尔也能发现存在这种现象。因此，民间一些人似乎从小就知道如何打水漂。

1989年由科尔曼·麦吉成立了北美打水漂协会并组织打水漂世界锦标赛。该项赛事按弹跳次数记名次。2013年9月诞生的一个记录是88次。1997年出现了苏格兰世界打水漂锦标赛，赛事规则为按石块漂浮距离记名次。其他一些赛事包括威尔斯公开赛和英国公开锦标赛。曾有过漂浮120米的纪录。要知道，掷标枪的世界纪录也就100米左右，手榴弹能扔出去40米都很难。如果向空中扔一块石头要落到120米远的地方，哪怕不考虑空气阻力等，从离地2米的高度以45度这样的能使自由落体飞得最远的角度出手，初速度至少需要达到34米/秒。让手甩出这么高的初速度，难度极大。可见，水上漂可以轻易让物体跑得更远。

宾夕法尼亚州的“河道水漂节锦标赛”采用的比赛规则是：水漂赛手自带一篓六个石片。石片必须是自然的，不能在石片上添加或剔除任何有助于产生推进的东西。比赛之前，赛事裁判将检查水漂石片是否满足规则。对于特殊情况的裁定，裁判可以咨询宾夕法尼亚州水漂最高委员会。最高委员会的裁定具有终审效力。

比赛开始前，由某选手掷漂，第二次出现漂亮的弹跳时，比赛即可开始。每位选手有60秒完成一次掷漂。裁判将弹跳次数依次记录。

有趣的是，水漂运动涉及一些专用术语。这些术语的英文单词目前在普通字典里很难找到。依据掷水漂的水平和发挥，水漂可能会出现弹漂、爬漂、沉漂、空漂和危漂等情况。

打水漂的原理也启发了一些应用。巴恩斯（Barnes Wallis）在“二战”时期发明了水漂炸弹，1943年5月16日晚，英军用水漂炸弹空袭了德国鲁尔河上的三座大坝。炸弹在水面弹跳接近目标，降低了高空瞄准的要求。时速为390千米的轰炸机在距离大坝水平距离400米和垂直距离18米左右的高空，投下旋转炸弹。水漂弹在水面弹跳的道理与普通水漂差不多。

普通飞机的飞行高度一般在20千米以下，利用稠密空气产生的升力飞行。卫星在100千米以上用轨道离心力飞行。在这两个高度范围的中间区域，两种飞行方式都不足以支撑有效飞行，但“水漂式”高超声速飞行可望解决问题，虽然“弹跳”方式和打水漂不完全一样。飞得低一点的时候，空气足够稠密从而发动机能点火产生推力，但长久平飞阻力很大；飞得高一点阻力小些，但空气很稀薄从而发动机无法点火。可以设想在35～60千米的高度以打水漂形式波浪式飞行。在“浪”底，由于空气稠密，可点燃发动机，产生的推力可使飞机爬飞到60千米高度。接近“浪”峰时，由于空气稀薄发动机只能熄火，但可凭爬飞阶段获得的惯性在阻力较低的“浪”尖高度滑翔一段距离。这样波浪式飞行，一个波浪就将近飞500千米的距离。

让水漂弹跳次数更多

我们希望弹跳次数越多越好，漂得越远越好。可是，我们普通人扔出去的漂，能弹跳10次就不错了。水漂在经历甩手、脱手、空中飞行、击水、弹跳和再入水的过程中，其实会涉及较为复杂的飞行原理以及与水的作用过程。史密斯就给出了一个打水漂方程式，来描述这些作用。

经过科学指导的打水漂则能将弹跳次数提高到数十次。例如，科尔曼·麦吉以12米/秒的速度和每秒14圈的转速扔出石块，弹跳次数达到了38次。

除了使迎水角接近20度、入水角尽量小、出手时让水漂旋转外，水漂的尺寸也有讲究。扁平石头厚度不超过6毫米，且直径在3～6厘米。石头的密度一般为每立方厘米2.5～3.3克，即每立方米2.5～3.3吨。如果取平均值，那么大致是2.9克/立方厘米。对于直径在5厘米，厚度为6毫米的石片，体积大致是12立方厘米，重量大致是34克，即不到1两的重量。

如果观看北美河道水漂节比赛视频，我们会发现，赛手在扔水漂时，身体向后倾斜，手臂与身体呈45度左右。一般用大拇指与中指夹住石片，而用食指勾住石片外圆周。甩水漂时，出手高度离水面不要太高，以使入水角远小于45度；抬起石片，让其迎水角接近20度，同时尽量让石片高速旋转（在出手时，勾住外圆周的食指用力旋转）。

之所以要旋转，是因为石片飞出去后，姿态可能不平，可能是一侧先触水。这样，石片可能跑偏或者出现不必要的翻滚。如果高速旋转，就会产生旋转助稳效应（因为旋转也是一种惯性，稍微一点点扰动很难改变姿态），使飞行的石片保持基本稳定，使石片弹跳次数尽可能多。

如果弹跳次数多，漂行距离远，那么就可以欣赏到丰富的水面波动现象。在每个落水点，会产生一串串波纹，呈圆形向外扩展。这样一串串的由落水点发出的水波波纹，也称为涟漪。我们会发现一些奇妙的现象，虽然石片的形状不一定是圆的，但水面波纹是很圆的圆圈。前面时刻的落水点发出的圆圈扩散的速度比石片滑行速度慢，因此一系列落水点留下的涟漪，影响范围都在石片后面。但在末尾阶段，石片如果因减速出现爬漂，即慢慢地在水面漂，那么涟漪波纹可能跑得比石片快。这些水面现象，是极其丰富的水面波现象的一部分。

石片击水，一方面将水面击打出漏斗一样的压痕形成小冲浪，另一方面激发出水花。石片弹开后，周边的水回填，产生震荡，就激起了上面说的涟漪。水花中的水滴尺寸有大有小，小的近似呈球形。有种力量将小水珠包成圆球形，这个力量称为表面张力。

石片的飞行原理和旋转的稳定作用，水面波动现象，在后面会有更多的展示和讨论。