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柔软物质和液体

柔软物质和液体

如何在水上稳定的道路上保持跳过的石头

01 May 2021
人们跳过石头的照片
行动中的物理:两个人在新西兰的一个美丽如画的湖上跳过石头。 (礼貌:Stewart Nimmo / Cc By-SA 4.0)

杰唐在彻底分析了旋转石头以跨越水的表面跳过的物理学。 西南交通大学 在中国和同事。该团队使用理论模型和简单的实验来确定过程中的三个关键因素,他们的发现可能导致陆地上的飞机和航天器动态的重要见解。

跨越水的扁平石头是生活的简单乐趣之一。通过练习,赋予抛光角度,速度和旋转的正确组合将使石材在下沉前几次反弹。在这一过程中涉及的物理学在确保飞机和重新进入航天器的安全水域中也具有高度相关的,这在高速下与水面碰撞。

在他们的学习中,唐的团队建造了一款石头跳跃的数学模型,其中包括两个关键效果。其中的第一个是MAGNUS效果,由此流体中的旋转物体的轨迹偏转 - 足球运动员在弯曲的轨迹上送球的影响。其次,陀螺效果涉及纺丝物体的趋势,以保持稳定的旋转轴线并以直线行进。

导航模块

为了验证其模型的预测,该团队做了一个简单的实验,涉及旋转铝盘,配备有导航模块,以测量其在飞行期间的旋转和轨迹。它们的设置使得能够对磁盘的速度,旋转速度和水面的近似角度进行紧密控制。通过一系列实验,然后该团队测量了这些值中的每一个的变化如何影响磁盘的跳过动态。

从他们的分析结果来看,研究人员确定了这些动态的三个关键因素。第一因素与盘的向上加速度相关 - 由其水的速度和水的速度决定。如果此值超过4g(重力加速度的四倍),则磁盘将跳过。然而,在3.8克时,磁盘将以“冲浪”,沿着水面撇去振荡角度,但不弹跳。

第二个因素与陀螺效果如何能够保证盘的达角稳定性,为连续弹跳产生更有利的条件。第三个因素是磁盘轨迹的方向反映了陀螺仪和马格努斯效应的组合。对于每秒低于18轮的旋转速率,马格努斯效应将占主导地位,并且磁盘将根据其旋转方向转向左侧或右侧。然而,陀螺效果高于此速度,磁带效果将占主导地位,并且磁盘将继续直线路径。

如果应用于空气和宇宙飞船的更复杂形状,唐的团队希望他们的结果可以改善我们对在登陆时撞击水的行业方式的理解。这很快就会使工程师设计更好的车辆和飞行路径:确保对宝贵设备的最小损害,以及乘客的更好安全。

研究描述了 流体物理学.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者