当小行星在太空中打了一个水漂……

来源:知识就是力量

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!

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