伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了…

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鲁迅曾说,如果你来到海边不打水漂,那等于没来。

 
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拿起石子打水漂,是人们心照不宣的默契。它就跟男生小便后要抖一抖一样,是下意识的技术操作。

 

这项具有魔力的运动,吸引着无数男女老少。他们的目的只有一个:打出完美的水漂。
 
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甩最酷炫的手法,打最远的水漂

 

伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...而目前打出最接近上帝的水漂,是他。
 
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完美诠释“姜还是老的辣”
在2013年9月6日,美国人库尔特·斯坦纳(Kurt Steiner)创造的在水面弹跳最多的吉尼斯世界纪录:在水面弹跳88下
 
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伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...这波神操作,“铁掌水上漂”裘千仞看了也只能自叹不如。

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伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...他还透漏,职业选手俱乐部的门槛是弹跳25次以上,普通人要是打出这么多弹跳,直接就可以上春晚了。

 

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据说他之所以打得这么厉害,是受到法国科学家发表在2004年的《自然》(Nature)的启发。
 
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他们发现,石头能弹多少次是取决于4个参数,它们分别是初速度、转速、入水时石头和水面的夹角,石头材质。
 
为了让模友们打出最性感的水漂,超模君决定给你们认真科普一下。
 

初速度

第一,要快!

 

俗话说,天下武功,唯快不破。这句话,在打水漂中一样受用。
 
早在《Continual skipping on water》的文献就提到,在抛掷石块时,只有当速度超过2.5m/s时,弹跳才会发生。

 

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伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...根据相关的动能公式E=(1/2)mv²,我们知道,同一块石头,速度越大,动能就越大。
 
而且,当抛掷后的石头与水面产生接触碰撞时,石头的动能是会产生一定的损耗。到最后,石头动能越耗越低,低至某一个阈值时,自然就漂不起来,沉到水底。
 
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《Continual skipping on water》
所以说,在同样的情况下,赋予石头的初始平动动能越大,飞的就越远。
 
你看老大爷的残影,就知道他到底有多快了。
 
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大力出奇迹
角度

第二,找好黄金角度!
 
俗话说,角度决定一切。再怎么天生神力,没有一个好的角度也是飞不起来的。
 
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伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...法国克里斯托夫.克拉内博士,和他的同事使用高速视频照相机等设备,不断试验。最后得出结论:其他条件相同的情况下,石头首次接触水与水面成20度角时,水漂效果最为完美。
 
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Continual skipping on water 
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也不知道模友们看没看懂。但总而言之,只要让石头接近20°入射,你便可以获得最大化的打水漂效果。
 
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旋转

第三,要旋转。

 

玩过陀螺的模友都知道,高速旋转状态下的陀螺,不管遇到怎样的外力干涉,它的平衡是很难被破坏掉。
 
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图片来源于Fun科学
 
伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...因为物体在快速旋转状态下,会产生一个方向唯一的 “ 角动量 ”。

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利用右手定则判定角动量方向

 

角动量方向一旦形成,就非常难以改变,也就是说如果它的方向是向上的,那就很难把它改变成朝向右上,或者左上,而物体则会为了保持角动量的方向而产生平移。

这就是传说中的
 
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同样道理,在打水漂的时候,让石头自旋转,会使石头在与水面的碰撞中更加稳定,可以保持直线运动而不会出现偏差。
 
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材质

第四,挑一块扁平光滑的石头!
 
伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...如果你上次打水漂还在用着番薯状石头的话,那超模君只能说,你真的很棒棒~
 
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早在2006年,伦敦大学学院应用数学教授弗兰克·史密斯就发表过一篇《Skimming and skipping stones》的论文。
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里面不仅涉及一条用于计算石头弹跳次数的方程式:M x A= P– MG+空气影响。(M代表质量,A代表垂直加速度,P代表水面反馈压力,MG代表重力。)
弗兰克教授还手把手教你怎么选好石头。
 
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“你需要一块扁平且光滑的石头,厚度不要超过6毫米,直径在3到6厘米之间,接触水面的那一面要滑。
 
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类似这种
这样能减少石头与水面碰撞的能量损耗,同时平滑的底面在很大程度上减少阻力,会更有利于打出更远的水漂。

打水漂的原理应用

如果掌握以上四点,充分理解其背后的科学原理,那你基本上是打遍水漂界无敌手,赢到没朋友。
 
当然,有些朋友可能会嘲讽超模君,“研究个啥打水漂啊,还用到物理知识,也太小题大做了吧。有这闲工夫,还不如想一下如何科技强国,提高军事水平吧。
 
对于这些朋友,超模君只想说
 
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实际上,打水漂早就已经被应用到军事上了。
 
1943年,欧洲正处于紧张对峙的二战时期。正所谓,双方一心只想着,如何集中优势兵力,重点打击敌人要害
 
很快,德国鲁尔工业区中提供能源的三座大坝引起了英国人的重点关注。
 
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鲁尔工业区
 
但是,摧毁这三座大坝并非易事。
 
原因是大坝外面有鱼雷防护网和战舰的防御。如何突破防御一击必杀,成为了英国军事战略的当务之急。
 
伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...有意思的是,没过多久,航空工程师巴恩斯·沃利斯提出了惊人的想法:制造一个在水面上疯狂跳跃的大炸弹,俗称“跳弹
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而这疯狂的想法竟然是沃利斯在自家花园水池里打水漂想出来的(超模君一开始还以为他是一个有故事的男人)。
 
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伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...他由此写下一篇《球形炸弹——水面鱼雷》一文,奠定了“跳弹”的理论基础。
 
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跳弹攻击水坝示意图
图片来源于SME科技故事
随后,皇家空军接受了沃利斯的建议,并委托他研制出威力无穷的“跳弹”。
 
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不得不说,沃利斯真的是个狠人。
 
伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...他的跳弹采用独树一帜的饭桶形状,发射之前会以一定速度旋转。在离水面18米的高度借助惯性投下,充分运用“打水漂”原理,以灵动的弹跳前进的方式避开防鱼雷网,直接命中水坝。

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来源:腾讯网
 
我们可以从现代科学家的模拟实验,来理解这个灵动的饭桶跳弹。
 

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图片来源于SME科技故事
还通过对比,直观感受一下当时“跳弹”的威力。
 
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沃利斯搞出来的这个“跳弹”,不仅直接炸烂了德国鲁尔区的水坝,还间接导致两座发电站瘫痪,严重影响德国工业能源供应。
功臣沃利斯一战成名,也因此被载入史册。
 
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你以为这就完事了?
 
真的太太天真了,最强的打水漂还可以打到地球的大气层边缘。
 
我们知道,航天器完成任务后是要返航的。当航天器高速穿越大气层的时候,就会不可避免的产生高温,而这往往是致命的。
 
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伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...所以,为了防止航天器被高温灼烧,科学家们突发奇想:利用打水漂的原理,给航天器科学降温。
 
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正是因为这种“跳跃式再入返回”的方式,使得航天器能够顺利返航。
 
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从打水漂到“跳弹”,再到航天器水漂穿越大气层的巨大跨越,我们明白,科技与生活息息相关!科技来源于生活,又改变着生活!
 
啥也不说了,超模君要赶着去水漂里探索宇宙真理了。

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写在最后

何谓数学?

数学家Eduardo曾这样回答

“数学是永恒,是真理,是一切的答案。”

原文始发于微信公众号(超级数学建模):伦敦大学惊现数学神人!创造最完美打水漂方程,一块石头破吉尼斯世界纪录!看完跪了...

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