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京辉小课堂——为什么高尔夫球长满了小酒窝

penshebeng
2014/09/18 00:00:00
为什么高尔夫球长满了小酒窝 ,跟人的直觉恰恰相反,跟光滑表面的高尔夫球相比,高尔夫球上的小酒窝能大大降低其在空气中飞行时的阻力。不仅如此,他们还能一定程度的提高球的浮力。这两个因素综合在一起,可以使有酒窝的球比没酒窝的球飞行距离远两倍以上。


高尔夫球上的小酒窝达到这两种效果是通过在高尔夫周围的空气层(即边界层)产生湍流实现的。简言之,小酒窝能够将空气传递到球的后侧。这样能够有效的增加高尔夫球后侧的空气压力,从而降低球前后侧的空气压力差,大大减小了飞行阻力。跟光滑表面的高尔夫球相比,有酒窝的高尔夫球能减阻高达50%。
如上图1所示,对于光滑表面的高尔夫球,当空气经过球表面的时候,其层流跟球表面会较早的分离。
这使高尔夫球后侧的空气尾迹增大,从而增大了后侧的低压区,产生较大的阻力。而对于有小酒窝的高尔夫球,空气的层流分离较晚,贴在球表面的时间更长,如图2所示,从而产生较小的低压区,能够显著的降低空气阻力。

当高尔夫球有较大后旋的时候,小酒窝还能产生浮力
这跟棒球的缝合线在球具有后旋时产生浮力的情形类似。无论是高尔夫球还是棒球,后旋导致空气在球的顶端向后移动更快,从而导致球顶端的空气压力比下侧压力小,产生少量的升力。当球出现侧旋的时候,也具有类似的效果,只不过产生的不是升力,而是导致球路线侧弯的力。这就是为什么侧旋的球容易出现偏左或者偏右的弧形路线。



你可能会问,既然小酒窝这么牛逼,为什么人们不在飞机,汽车或其他类似物体上产生小酒窝来减小阻力呢?
主要原因是在边界层产生湍流并不能够总是减小阻力。这很大程度上取决于物体的形状,速度及其他类似因素。对于球状的物体,其主要阻力由尾迹产生,如图3a。这时候小酒窝能够很大的降低阻力。如果物体具有流线的外形,比如飞机翅膀(图3b),跟表面的摩擦力相比,尾迹产生的阻力微不足道。因此小酒窝此时的作用不大。恰恰相反,小酒窝导致摩擦力增大,超过其减小的尾迹阻力,总体上使飞机阻力增加。
至于小汽车,大部分的形状没有飞机翅膀那么流线,因此酒窝表面能够降低其总体阻力。但是,体现在燃油的经济性上,效果却非常不明显。也就是说,油耗降低的显著性还没有足以打动汽车制造商,去生产布满小酒窝的怪异汽车。
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