对于许多《物理学 arXiv 博客》的读者来说，啤酒垫并不陌生。因此，尝试让啤酒垫飞行的挑战对他们来说也并不新鲜。同样，由此产生的问题也令人熟悉。
像飞盘一样用力投掷——在啤酒馆里，结果总是相同的。旋转的啤酒垫会在某个随机时间侧翻并坠落地面——不像飞盘那样可以实现相当稳定的水平飞行。这是为什么呢？
在我们这个时代最杰出的问题中，揭开啤酒垫飞行之谜的物理学原理，却令人遗憾地被搁置了。现在，由于德国波恩大学的 Johan Ostmeyer 和他的两位同事 Christoph Schürmann 和 Carsten Urbach 的工作，这一情况似乎已经改变。
这些无私的研究人员致力于啤酒垫飞行的研究，甚至建造了一个能自动将啤酒垫发射到空中的装置。通过一些理论研究，这个团队解决了啤酒垫侧翻的谜团，并且甚至能够预测其他飞行圆盘——例如 CD 光盘和扑克牌——应该如何表现。
异想天开的飞行
团队从理论方法入手。他们将啤酒垫视为一个半径和质量一定的、可忽略不计的薄圆盘。当投掷时，旋转使圆盘在飞行中保持稳定。Ostmeyer 及同事们考虑了水平飞行的情况，此时旋转轴垂直于前进方向。
飞行就这样开始。然而，重力很快使圆盘下落，改变了其与空气的迎角。这种角度的变化产生了升力，但升力并非作用于圆盘的质心。相反，升力作用在更靠近前缘的位置，在那里层流从旋转圆盘的表面分离。（根据空气动力学理论，这个距离约为半径的 π/8 倍。）
结果是，这种升力产生了扭矩，圆盘开始进动。正是这种进动迫使圆盘侧翻，使其垂直于空气切割。
事实证明，这是能量上更优越的状态。因为当圆盘垂直时，它无法再产生升力或进动。因此，圆盘的趋势是采用这种状态并保持不变。这个过程并非随机或混乱——团队的理论预测，它应该在可预测的时间后发生，在本例中约为 0.45 秒。
然而，还有另一个效应在起作用。当圆盘垂直时，有两种可能的姿态——圆盘相对于其运动方向可能带有后旋，也可能带有前旋。结果发现，后旋状态是稳定的，而前旋状态则不稳定。所以，啤酒垫应该优先采用这种状态。
啤酒垫发射器
Ostmeyer 及同事们随后将理论分析与实验证据进行比较，他们使用自制的啤酒垫发射器收集了这些证据。（事实证明，人类无法以足够可重复的精度发射啤酒垫——这可能与啤酒有关。）该装置以选定的水平速度和旋转速率向前发射啤酒垫。
果然，研究人员观察到啤酒垫的行为与他们的理论预测完全一致。它们在发射后约 0.45 秒反复侧翻。并且啤酒垫倾向于翻转到后旋方向，这是最稳定的选择。“导致侧翻的关键效应被发现是升力作用在质心之外，略微偏向前缘，”研究人员说。
该团队表示，该理论允许他们对其他飞行圆盘做出预测。一张飞行的扑克牌将在仅 0.24 秒后翻转，一张 CD 在 0.8 秒后翻转，一个更大更重的铁饼在 16 秒后翻转。然而，他们尚未测试这些预测。
飞盘当然是不同的。“由于其圆润的下缘，飞盘的空气动力学特性与啤酒垫不同，因此，其稳定飞行时间也大大延长，”Ostmeyer 及同事说。
这项有趣的研究将激励世界各地当地的酒馆进行数小时的深入研究。
参考：啤酒垫不像飞盘那样好飞：arxiv.org/abs/2106.08238
