高尔夫球为何扮成“麻子脸”？
2022/9/28 17:00:00 中国科普博览
打高尔夫球由于最早在宫廷贵族中盛行，加之高尔夫球场地设备昂贵，一直被人们视为是一项“贵族运动”。力力通过回顾高尔夫球的发展历程发现最早的高尔夫球是木制的，由诸如山毛榉或黄杨树根等硬木打磨圆滑而成。然后发展为使用真皮以及羽毛填充物作为制球材料，1848年，古塔胶球(Guttapercha)出现了，这种球成本较低，且几分钟即可制成，很快取代羽毛制球并且促进了高尔夫运动的普及。
这种由热带树种古斯塔树的汁液提炼制成的球经过多次击打后，外表出现了很多的划痕或者斑点，在使用的过程中人们慢慢发现这种表面有划痕或凹凸不平的小凸起或者小坑比新球的击打距离要远一些。
那究竟是什么原因导致了扮成“麻子脸”的高尔夫球要比表面光滑的高尔夫球飞得更远呢？跟着力力的脚步用流体力学的知识来分析一波吧!
根据常识我们知道，任何物体在空中运动的过程中都会受到来自空气的作用力。对于在空中运动的高尔夫球来说，主要受到升力和阻力两种力的作用。阻力的方向与球的运动方向相反，阻碍着球的前进;而升力的作用方向则向上。其中阻力又可分为球面与空气间的摩擦力以及球体前后由于压力不同导致的压差阻力，当物体的运动速度较快时，压差阻力会占全部阻力的大部分。
当球的运动速度慢时，球附近的流体分子基本上是贴着球面流动的，这时候球所受到的阻力基本上是由流体的黏性阻力组成；当球的运动速度快时，在球的后面会形成对称的漩涡同时发生边界层分离现象。什么叫做边界层分离呢？简单地说就是球附近的流体分子贴着球面走一段距离之后，就脱离球面的现象。高速飞行的球后面是中心压力较小的漩涡，而球的前方压力较大，这种压力差导致了压差阻力的产生。一般说来，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，压差阻力也就越大。
低速飞行时球附近空气分子的流动轨迹
高速飞行时球附近空气分子的流动轨迹
而扮成“麻子脸”的高尔夫球表面有许多小坑，飞行时候在小坑的附近会产生一些小的漩涡，在这些小漩涡的吸力作用下，球表面附近的流体分子会被漩涡吸引，能够达到边界层的分离点推后的目的。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很多，从而使得压差阻力大为减小。这就是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的原因。
光滑与“麻子脸”高尔夫球飞行时流场示意图
实际上，高尔夫球表面上的小坑起到了湍流发生器的作用，这个原理在汽车和各类航空器上都有它的应用。光滑的球表面，湍流转捩发生的晚，球体大部分为层流；而扮成“麻子脸”的高尔夫球表面可以促使层流强制转捩为湍流，与层流相比，其流动能量更高，它的高能量推迟了边界层的分离，大大减小了总的飞行阻力。
说到这里小伙伴们会不会产生这样的疑惑呢？如果将飞机的机翼也制作成“麻子脸”是不是也能达到减少阻力的目的呢？其实这种麻脸设计对于球形物体是一个很好的减阻方法，但是对于像机翼这种非球体结构则不适合。在机翼的设计过程中采用的是流线型减阻的方法，这种流线型结构可以尽可能地缩小机翼的漩涡区，所以翼剖面大都设计成前缘较钝而后缘较尖的形状。具有流线型剖面的物体在前进时，边界层大致是在翼的后缘分离，漩涡区很小，因而阻力也很小。这和麻脸的高尔夫球减阻原理有着异曲同工之妙。
飞机机翼上的漩涡发生器结构
1903年，莱特兄弟成功地完成人类历史上第一次飞行试验，迄今100多年，在这100多年的发展历程中，飞机的每一次重大改进大都离不开对升力和阻力的探索。但人们对于在空气中运动物体的升力和阻力的认识仍不够全面，为减阻而不懈探索的历程推动着空气动力学的进一步发展，扮成“麻子脸”的高尔夫球便是探索过程中的一小步!
参考文献:
1.https://mp.weixin.qq.com/s/dcIKum9zJWP0JHlCSmx4ZA
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