Teknikker til overspringning af sten kan forbedre rumfartøjers genindtræden

At springe sten over en vandmasse er en ældgammel leg, men at udvikle en bedre forståelse af den involverede fysik er afgørende for mere alvorlige sager, såsom vandlandinger ved genindstigning af rumfartskøretøjer eller -fly.

I Fysik af væsker , videnskabsmænd fra flere universiteter i Kina afslører flere nøglefaktorer, der påvirker antallet af afvisninger, som en hoppesten eller et landende fly vil gennemgå, når de rammer vandet.

Undersøgelsen involverede teoretisk modellering og en simpel eksperimentel opsætning ved hjælp af en modelsten til at indsamle data i realtid. Efterforskerne brugte en aluminiumsskive som stand-in for stenen og designede en affyringsmekanisme, der brugte et pust af luft fra en kompressor til at kontrollere hastigheden, hvormed skiven rejste mod vandet.

Tidligere undersøgelser havde allerede fastslået, at spinning af stenen er nøglen til at få den til at springe eller hoppe, så den eksperimentelle opsætning tillod en motor at anvende et kontrolleret spin på disken før lanceringen. Ud over, disken havde en nylonhætte indeholdende et inerti-navigationsmodul til at måle data under flyvning og overføre det til en computer via en Bluetooth-forbindelse.

Efterforskerne observerede to typer bevægelser efter at skiven kolliderede med vandoverfladen:hoppe og surfe. I sidstnævnte, skiven skimmer langs vandoverfladen uden overhovedet at hoppe.

En nøglemængde til at bestemme, om disken kan hoppe, er den lodrette acceleration. Når denne acceleration overstiger fire gange accelerationen på grund af tyngdekraften, g, disken hopper. Når den er lidt mindre, 3,8 g, surfing blev observeret.

"Vi anser surfing-fænomenet for at være en kritisk form for at hoppe, med 3,8 g som den kritiske afvisningsgrænse, " sagde forfatteren Kun Zhao. Den mindste værdi, hvorved stenen har potentiale til at springe over, viste sig at være 3,05 g.

Forskerne fandt også ud af, at retningen, som skiven eller stenen spindes i, påvirker dens bane og holdningen eller tonehøjden, som er vinklen mellem vandoverfladen og flyveretningen.

"Vores resultater viser, at hovedeffekten af ​​spinning er at stabilisere holdningen under kollisionen med gyroeffekten, " sagde Zhao.

Spinning afbøjede også skivens bane under flyvning. En rotation med uret bøjede banen mod højre, hvorimod et spin mod uret afbøjede det mod venstre.

"Vores resultater giver et nyt perspektiv til at fremme fremtidige studier inden for rumfart og skibsteknik, " sagde Zhao.