物理学家表示，飞行的啤酒杯垫将在0.45秒内翻转到空中

许多泡酒吧的人都有一个历史悠久的传统:扔啤酒垫——酒吧里随处可见的圆形纸板杯垫——就像扔飞盘一样，经常比赛谁能扔得最远。但与飞盘不同的是，啤酒垫往往会在空中翻转，并以下旋飞行。现在，波恩大学的物理学家提出了一个理论模型来解释这一现象提交的新论文物理arXiv预打印服务器。

由于天生的好奇心，物理学家们对啤酒的物理特性着迷，首席作者约翰·奥斯特迈耶也不例外。几年前，他对所谓的“敲啤酒”物理学产生了兴趣:这是一种常见的恶作剧，犯罪者拿着一瓶打开的啤酒，在酒吧里发现一个拿着另一瓶打开的目标。恶作剧的人用自己的酒瓶底撞击目标的酒瓶顶，然后看着目标的手和衣服上满是啤酒爆炸的泡沫。

早在2013年，马德里卡洛斯三世大学的物理学家哈维尔Rodríguez-Rodríguez和几位同事就啤酒罐的原因提出了实验和计算机模拟结果泡沫如此之大被摇后。他们得出的结论是，泡沫是由一系列波浪引起的。虽然“爆炸”的来源非常不同，但其物理原理显然与原子弹中云的发展相似。

最初的敲击会产生一个冲击波，从目标瓶子的顶部传播到底部。冲击波的能量被转移到啤酒上，发出第二个冲击波在瓶底和啤酒表面之间来回反弹。所有这些活动释放出微小的气体，被困在瓶子玻璃的小瑕疵中，从啤酒溶解的CO中产生了更小的气泡云₂．当气泡上升到表面时，它们会变大并加速，最终形成大量泡沫，这使得敲啤酒成为酒吧里流行的恶作剧。

Ostmeyer提交了他自己的分析去年在arXiv上讨论了啤酒的起泡问题，特别关注了为什么下面的啤酒瓶会起泡而上面的不会。最初的水龙头在较低的瓶子中产生低压，CO₂气泡膨胀并破裂成碎片。

更多的气体扩散到气泡群中，上升形成泡沫。顶部的瓶子里发生了一些不同的事情。初始压力更高，所以气泡中只有适度的振荡，最终气泡破裂不会发生——或者至少不会发生同样程度的破裂。因此，你不会得到同样快速增长的云把整个啤酒变成泡沫。奥斯特迈耶写道:“恶作剧者让现场变得枯燥无味。”

现在，奥斯特迈耶受到2017年前往慕尼黑参加德国物理推广演示展的启发，将注意力转向了啤酒垫飞行轨迹的紧迫问题。啤酒垫(至少是圆形的)基本上是有一定半径和质量的薄而平的圆盘。一个飞盘也是一个扁平的薄圆盘，围绕着它飞行的物理学是众所周知的。

飞盘独特的曲面上表面本质上是相同的形状(当从侧面看)作为翼型。用足够的力量来克服向下的重力，它就会产生升力。当然，当飞盘在空中飞行时，也有空气阻力或阻力作用在飞盘上。阻力取决于攻角。如果这个角度是负的，它会把空气向上推，迫使飞盘向下，而一个正的角度会把飞盘向上推。为了将抖动降至最低，职业飞盘选手知道在投掷时增加一个旋转，以确保飞盘在飞行时保持在一个平面上。

但啤酒垫没有飞盘独特的机翼状边缘，这影响了它们的空气动力学。Ostmeyeret al。首先假设水平飞行，旋转轴垂直于它移动的方向。像扔飞盘一样扔一个啤酒垫，旋转最初会稳定它。

然而，重力的拉力很快就会使垫子下降，这将改变它攻击空气的角度。你仍然会得到升力，但它会集中在靠近前沿的地方，而不是垫子的质心。所以垫子会开始进动，迫使它侧翻，从而垂直移动。研究人员的模型预测，这应该发生在飞行后约0.45秒。此外，该模型表明，垫子可能具有下旋(稳定的)或上旋(不稳定的)。因此，垫子将更有可能有一个下旋。

当然，每一个好的理论预测都必须经过实验验证，在当地酒吧随意扔啤酒垫在科学上是不严谨的。用手投掷时，倾斜的时间似乎是随机的，但模型的预测并非如此。因此，奥斯特迈耶和他的团队用两台电动跑步机搭建了他们自己的临时啤酒垫发射器。发射器使研究人员能够控制每次发射的水平速度和旋转速度。

研究人员把发射器放在桌子上，然后在跑步机之间放一个啤酒垫，以不同的速度发射垫子，并在它们落在地板上的地方做标记。飞行轨迹被高速摄像机记录下来，该团队使用一个名为Tracker的程序提取啤酒垫在其轨迹上任何一点的坐标。研究人员随后的分析结果与理论预测非常吻合。

Ostmeyer等他的理论模型也可以用来预测其他类型的飞碟的飞行轨迹。例如，他们的模型预测CD会在0.8秒后翻转，而更大更重的铁饼会在16秒后翻转。飞行纸牌的飞行轨迹是所有纸牌中最短的，仅在0.24秒后翻转。作者在脚注中写道:“即使是掷牌最远的世界纪录保持者小里克·史密斯(Rick Smith Jr.)，或者是扑克机关枪的世界纪录保持者，也无法避免他们的牌在不到一秒的时间内飞出曲线，并以后旋告终。”

该模型对飞盘的预测是惊人的0.8秒——没有考虑由于其曲率而产生的任何空气动力学因素。“当然，飞盘的机翼形式可以让它在专业投掷时保持更长的时间稳定，”他们写道。“原因是飞盘的空气动力学中心非常接近其质心，因此扭矩要小得多。”

我们为奥斯特梅尔和他的同事们的工作举杯，他们的工作既有趣又有信息，纯粹是出于对科学的好奇心。“我们真诚地向所有被啤酒垫击中的人道歉，”作者在致谢中写道，“无论是由于瞄准不准确，还是由于我们煽动他人进行愚蠢的实验。”