Ученые: Физика камня, отскакивающего от воды, поможет создать новое оружие

Запустить упругие шарики по воде гораздо легче, чем пытаться заставить камень отскочить от поверхности озера, но новое исследование физики воздействия воды — вовсе не развлечения и не игры. Исследование помогло бы усовершенствовать все, начиная от водных игрушек заканчивая военно-морским вооружением и надувными плотами, утверждают ученые.

Исследование, касающееся отскакивания объектов от воды имеет широкий спектр применения. Например, на протяжении эпохи парусов, когда парусные суда правили морями в делах торговли и войны, пушечные ядра пущенные над водой, рикошетировали в палубу, убивая вражеских моряков и разбивая мачты.

"Текст под названием "Искусство стрельбы крупными боеприпасами" Уильяма Борна, был опубликован в 1578 году, и является первым известным источником упоминающим, что если пушечные ядра обжигают при достаточно малом угле они будут рикошетить по всей поверхности воды",  — отметил соавтор исследования Тэдд Траскотт, специалист в области динамики жидкости при университете штата Юта в Логане.

Кроме того, во время Второй мировой войны, британский инженер Барнс Уоллис разработал бомбу, которая может отскочить через воду, которую Королевские ВВС использовали против Германии в 1943 году. "Эта бомба умела вращаться с большой скоростью до момента взрыва, что позволяло ей двигаться вдоль поверхности воды и избегать торпедных сетей на своем пути, уничтожая основные немецкие плотины", — вспоминает Траскотт в журнале Живая наука (Live Science).

Изучение того, как ящерица-василиск может бежать по воде (такая способность подарила рептилии прозвище "Ящерица Иисуса"), однажды поможет исследователям построить роботов, которые смогут делать то же самое. "Воздействие воды было в значительной степени изучено в течение последних 100 лет, с мотивами, начинающимися с понимания физики посадки гидросамолете, и чаще всего, простым желанием лучше понять мир, в котором мы живем", — говорит Траскотт.

Добиться того, чтобы камень отскочил от поверхности воды несколько раз можно, при условии, что это камень правильной дискообразной формы, и запущен с правильной скоростью и по правильной траектории. Тем не менее, исследования показывают, что упругие шарики намного легче заставить отскакивать, даже при посредственных условиях. Игрушка, известная как мячик скачущий по воде (Water Bouncing Ball) или Waboba, вдохновила Траскотта на последнее исследование в области физики прыгающих сфер. Waboba размером с шарик для тенниса не может прыгать по земле, но способна отскакивать от воды с относительной легкостью.

"С самого начала у нас был игровой подход", — сказал Траскотт в заявлении. "Мой сын и племянник хотели увидеть воздействие упругих сфер в замедленном движении, поэтому это было также частью первоначальной мотивации. Мы просто задались вопросом, почему эти игрушки прыгают так хорошо. В общем, я всегда считал, что детское любопытство часто приводит к глубокому открытию".

Чтобы узнать больше о том, как прыгают упругие объекты, Траскотт и его коллеги использовали высокоскоростные камеры для захвата изображения упругих сфер прыгающих через резервуары с водой в лаборатории. Ученые обнаружили, что упругие сферы могут демонстрировать превосходную способность рикошетировать по целому ряду причин. Во-первых, падение упругих шариков ударяющихся о воду может деформировать их в форму, напоминающую вид камней, которые можно найти на берегу. Эти формы идеально подходят для нескольких отскакиваний от воды; жидкость может приложить больше силы на плоскую тарелку, чем круглый шар. Также, упругие шарики могут деформироваться в идеальные формы диска, независимо от углов, под которыми они попали в воду. Это означает, что они могут падать в воду в большем диапазоне углов, чем может жесткий диск и по прежнему отскочить.

"Я бы сказал, что талантливый любитель камней-прыгунов мог бы добиться почти 20 отскоков камня. Мировой рекорд составляет 88, но это очень трудно. Это предполагает годы практики, идеальный камень, спокойную воду и удачный бросок", — сказал Траскотт. Ну или, "вы можете заставить отскочить сферу 20 раз в течение 10 минут [практики]".

В целом, исследователи обнаружили, что упругие сферы могут отскакивать от воды при падении под углом почти в три раза больше, чем показаны для жестких сфер. Упругий шарик "мог бы также оскакивать при гораздо меньшей скорости метания, чем его жесткий друг, если они были брошены под тем же углом к ​​поверхности воды", — сказал Траскотт.

"Я по прежнему удивляюсь, когда бросаю один из этих упругих шариков на озере или бассейне и смотрю, как он легко отскакивает несколько раз", — говорит он. "Для того, чтобы осуществить такой же подвиг с камнем, потребуется значительное мастерство и скорость, в то время как упругие шарики может заставить отскочить моя 5-летняя дочь".

Исследователи предполагают, их работа поможет в улучшении "надувных судов или при пуске снарядов". Они подробно описали результаты исследования в журнале Nature Communications.