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为什么满是小坑的高尔夫球飞得更远,而现代的飞机与航空器却还是光滑表面的 ...

someing1
2016/04/15 15:33:00
想要知道这个问题的答案,首先我们要了解一下高尔夫球上为什么都是小坑。


  如果耐心地数一数,我们会发现高尔夫球上有300 多个凹洞。每个洞的平均深度约为0.025 厘米。事实上,高尔夫球表面有意制造了许多凹洞,这是动力空气学研究的成果。这些凹洞的存在,正是为了减少空气的阻力,并增加球的升力,从而让高尔夫球飞得更远。


  今天的标准高尔夫球虽然品牌各异,但均采用表面凹痕型。如果是一颗表面平滑的高尔夫球,经职业选手击出后,飞行距离远远少于表面布满凹槽的球。有人就试过,打光滑的球只能飞65米远,而有凹痕的球可打出275米远。


  下面来回到今天的问题上,让咱们来看看知乎大神是如何回复的。
回复1:
  因为高尔夫球表面的小坑是为了提早转捩(专业术语...直白点说转捩就是层流到湍流的过渡,壁面粗糙度增加可以加速转捩过程),在边界层内湍流因为增加了动量混合,相对于层流可以延缓分离。虽然摩擦阻力上升了,但是因为阻力的最主要组成部分——压差阻力下降更多,所以总的阻力下降了。
  现代飞行器因为雷诺数很高,所以除了专门设计的层流翼型外,基本上在前缘附近就转捩了,大部分翼面已经是湍流边界层了。(其实机翼也没你想象的那么光滑)翼型和高尔夫球完全不一样了,流线型相对于钝体,本身压差阻力小了很多,而摩擦阻力占了相当一部分。本来就是湍流边界层了,加小坑只徒劳增加了摩擦阻力,所以没必要再加小坑了。相反的,在翼型上延缓转捩是一个减小阻力系数的方法。
作者:印子斐

回复2:
  飞得远是因为阻力小了,这里涉及的阻力主要是粘性阻力和外形阻力。粘性阻力就像摩擦力,是气流和表面摩擦产生的。外形阻力,也叫压差阻力,简单地来说外形越大的阻力也越大。另外,当气流不再紧贴物体表面而分离时,会导致物体的有效面积变大,外形阻力也就大了。

  高尔夫球上采用小坑,是为了增加气流的能量,让气流分离晚一点,以减少外形阻力。如下图所示,可以把 (b) 理解为采用小坑后使气流分离变晚。(b) 后面的乱流区明显比 (a) 要小多了吧,外形阻力也减小了。
不过,采用小坑会增加粘性阻力,表面粗糙度增加了嘛。在高尔夫球上的权衡结果是减小的外形阻力大于增加的粘性阻力,因此会有很多小坑。



  最后补充一下,在飞机机翼上,其实也存在类似的东西,叫做漩涡发生器。它们是一个一个的小突起,作用也是相同的:增加流体的能量,推迟流动分离,减小外形阻力。不光机翼上有,有的汽车上也有。
作者:jedi chen

回复3:

  高尔夫球能够实现有凹坑还飞这么远,是因为压差阻力的影响大于摩擦阻力,有凹坑则压差阻力减小;而飞机不设计成如此是因为压差阻力的改变其实不大,但这种形态会大大增加摩擦阻力,也容易造成飞机的不稳定性,这就涉及结构材料方面了。同时,飞机的机翼和尾翼有自己的一套减少阻力的措施,不需要靠凹坑来解决。而且凹坑制作的不好,效果会大大降低哦,还增加成本呢。

  好了,那么对于高尔夫球这种小物体来讲,摩擦阻力的增加真心是不大,而压差阻力就不一样了,它才是降低球速的主要关键。做成凹坑后,压差阻力的降低,才可以使得小球飞的更远。当然,这个过程中,小球其实是在旋转的。
  当然,飞机是不能旋转的,而且更需要的就是稳定。一来是飞机大,如果做成高尔夫球表面,那摩擦阻力真心要大很多了。二来是飞机不是球体,气动设计往往根据最优的。
  那么,做成凹坑是不是可以呢,当然可以,能不能减少压差阻力呢,理论上来说应当是可以的,但是本来就不大的漩涡区,减小后也还是那么大。而这个时候却增加了很多的摩擦阻力,得不偿失啊。何况,因为飞机对稳定性的要求,机翼、尾翼的设计都有要求的,对于转捩有自己的一套处理办法,自然不是靠凹坑解决的。
  飞机的速度和高尔夫球的速度完全不是一个量级的,航空器还涉及到高超。因此雷诺数也更大,更容易转捩到湍流。所以说靠凹坑来延迟转捩还是不那么靠谱的。
  还有件事,就是要给飞机造这么大个凹坑面,那都是白花花的银子呐~

作者:Sun Junli

看过之后有没有种上了一课的感觉,最后看个视频“巩固”一下今天所学的知识...
高尔夫球的制作过程!



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