會轉彎的水漂石

真相追追追

打水漂是很多人的童年遊戲,首先撿一個平滑的圓扁形鵝卵石,然後以低掠射角將石頭旋轉投出。旋轉能提供穩定性,就像飛盤具有的陀螺效應,在石頭撞擊水面時保持穩定,可有效避免石頭因翻筋斗而潛入水中

下圖是汽車在雨天高速行駛時的打水漂示意圖,因此打水漂類似於滑水

只不過無論我們丟水漂石的彈跳次數有多少,石子總是筆直前進,為何影片中這位少年卻能打出會轉彎的水漂呢?

先來看一則使用  Waboba 水上彈跳球的擲球影片,這款球在 MOMO 一顆售價 87元。這種球由於柔軟具有彈性,因此很容易在觸及水面時,因形變而產生彈力將其彈起

如果藉由發射器打出適當的旋轉方向,也能達成類似保齡球的曲球效果

回來看第一則影片的5秒處,這位少年手中拿著橘色水漂石的側邊具有花瓣形狀

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設計8個花瓣的目的,是為了在旋轉時能有效帶動側邊的水跟著轉,然後藉由馬格努斯效應來產生與前進方向垂直的側向力,此力就能當作轉彎所需的向心力

若從水漂石上方來俯視時,當花形石頭以順時針方向旋轉時,旋轉側會帶動一部分水流,使得尾流形成一個偏離入射方向的角度(順時針偏轉)。因此圖片下方的水流在通過旋轉的石頭之後,由於轉彎的水流需有向心力,這個力量是由花形人造水漂石的外壁所提供,此力的反作用力即為水流對水漂石所施加的吸力,方向向下而與水流的入射方向垂直。因此當花形水漂石前進時,藉由馬格努斯效應,路徑的彎曲方向就與水漂石的旋轉方向相同(註:類似自轉與公轉同向)。

倘若水漂石的側邊十分平滑,則帶動側邊水的效果就不明顯,於是就幾乎是走直線了。有興趣探究此現象的同學,可以使用黏土與海菜粉混合來製作水漂石,然後將壓扁的黏土邊緣修整成不同的外形,乾燥後找個平靜的湖面來進行拋擲,這或可拿來當作專題研究的題材。

同場加映

投擲瓶蓋