高尔夫球为什么不是光滑的？

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当今世界流行的各种球类运动中，高尔夫可谓是历史悠久了，早在1457年，在苏格兰议会的文件中就有了“高尔夫球”一说。人们有所不知的是，在19世纪，高尔夫球是光滑的圆球，后来人们发现残旧粗糙的球竟比光滑的新球打得更远，才渐渐发展成现在布满小坑的麻面球。统计发现，一颗表面平滑的高尔夫球，经职业选手击出后，飞行距离大约只是表面有凹坑的高尔夫球的一半。这究竟是什么原因造成的？

最早，空气是被想象为没有黏性的，或者说是没有摩擦的，人们把这种没有黏性的流体称为理想流体。不过显然，物体在空气中飞行时的阻力是绝对不可以忽略的。

空气对于任何在其中运动的物体，包括高尔夫球，都会施加作用力。空气动力学家把这个力分成两部分：升力及阻力。阻力的作用方向与运动方向相反，而升力的作用方向则朝上。高尔夫球表面的小凹坑可以减少空气的阻力，增加球的升力。这是为什么？

物体在空气中运动时，主要受到两种阻力：一种是物体表面与气流的摩擦力；另一种是物体前面与后面所受气压之差所形成的压差阻力。在物体运动速度较快时，后者会占全部阻力的大部分。

正如高尔夫球快速飞行的时候，在球的后面形成了对称的漩涡，在球附近的流体分子贴着球走一段后，就脱离球面，这种现象也被称为边界层分离。边界层分离总是和漩涡同时产生的。高尔夫球后面是中心压力很小的漩涡，而球前面的压力比较大，由于这个压力差，球就受到一个相对较大的阻力。一般来说，球的飞行速度越大，边界层的分离就越早，在球的后面形成的漩涡区也就越大，这种压差所形成的阻力也越大。

光滑的球由于这种边界层分离得早，形成的前后压差阻力就很大，飞行距离就大大缩短了。而当高尔夫球有了小凹坑，飞行时小凹坑附近产生了一些小的漩涡，由于这些小漩涡的吸力，高尔夫球表面附近的流体分子被漩涡吸引，边界层的分离点就推后许多。这时，在高尔夫球后面所形成的大漩涡区便比光滑的球所形成的漩涡区小得多，从而使得前后压差所形成的阻力大为减小。

综合看来，高尔夫球在空中高速飞行时，光滑球前后气压相差较大，而麻面球相差较小，虽然麻面球摩擦力稍大于光滑球，但其压差阻力却比光滑球小得多，所以总的阻力还是比光滑球小，因此在空中飞得更远。

此外，小凹坑也会影响高尔夫球的升力。一个表面不平滑的回旋球，会像飞机机翼般偏折气流以产生升力。球的自旋可使球下方的气压比上方高，这种不平衡可以产生往上的推力。高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力，另外一半则是来自小凹坑，它可以提供最佳的升力。大多数的高尔夫球有30～500个小凹坑，每个坑的平均深度约为0.025 厘米。阻力及升力对凹坑的深度很敏感，即使是这么小的差异，也会对轨迹和飞行距离造成很大的影响。


本文摘自中国科学报 文/谷兰


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