高尔夫球为什么表面都是坑?
关于高尔夫球的表面为什么都是坑,下面链接是空气动力学的说明:
下面的内容是根据北京大学力学系武际可教授改写,更加具有趣味性和故事性,不过这个坑,也可称之为“麻脸”,长满麻子的脸。
1、高尔夫球
你可曾想到,现今世界上流行的各种球类运动中,高尔夫球的年龄最老,当有五六百年的历史。它最早流行于英国,在1457年苏格兰议会文件中就有高尔夫球一词,至1608年,另一说是1787年,英国成立了第一个高尔夫球俱乐部。1896年中国上海成立了高尔夫球俱乐部,其他球类如现在的足球开始于1863年,排球、篮球开始于19世纪末的美国,都是它的小弟弟。
其实,考证起来,高尔夫球的起源还要早。它起源于中国的捶丸,据元代成书的《丸经》的序中所述,捶丸大约成熟于北宋的宋徽宗当政时(1101年~1125年)。捶丸是“场上设窝,以杖击球,球子入窝为胜,胜则得筹”,现在的高尔夫球和捶丸有许多共同之点。中国的捶丸起于宋,盛于元、明,到清朝就渐渐没有人玩了。
图1 明朝杜堇所画的《仕女图》目前,高尔夫球是相当普及的。全世界花在高尔夫球上的经费估计每年约有130亿美元,用在维护和开辟球场,生产球和击球杆以及相应的其他用品上。现在高尔夫球的打法是,根据规则连续击球,把球送入穴中。一场球需进18穴,大多高尔夫球场设18穴,有的球场只有9穴,则在一场内需进两遍,以击球次数少者为胜。现今高尔夫球重43.94g,直径4.27cm。标准的18穴球场长6500~7000码(每码合0.914m),穴间距离100~600码不等。由于穴的距离较大,为了以较少的击球次数取得优胜,还是要求有相当的击球技巧的。好的击球手,一次击球(一杆子)可以把球击出200多米远。
图2 高尔夫球员在击球考查高尔夫球的历史,最早是用木制的,中国的捶丸的“丸”或“俅”是用木疙瘩制成。后来,西方改用皮革内充以羽毛来缝制,不过这种球有一个大缺点,就是当球被打入水中、或被露水粘湿时,重量变化很大。到1845年开始改用橡胶或塑胶压制而成的光滑圆球,这种球优点是不会因为被水湿了而大大加重,但是却又出现了一个大问题——这就是击球后,球飞行的距离大为缩短。
原来的皮革球,比较粗糙,飞行得较远。为什么表面光滑了,飞行反而近了呢?这里面大有学问,这也就是为什么现在的高尔夫球外面不是光滑的而是麻脸的原因吧。
2、高尔夫球为什么是麻脸的?
高尔夫球为什么是麻脸的?说来话长。物体或高尔夫球在空气中飞行,最早空气被想象为没有黏性的,或者说是没有摩擦的,这时流过物体表面的流体质点和物体表面质点的速度可以不同,它们之间是有正压力却没有切向力。这就好像把重物体在另一物体的水平面上拖着走时没有阻力一样,人们把这种没有黏性的流体称为理想流体。按理说,在理想流体中飞行的物体是没有阻力的,在地面上的抛体,即使是抛一根稻草,它的飞行距离可以和扔石头一样远。不过这和实际观察到的现象完全不符合,物体在空气中飞行时的阻力是绝对不可忽略的,最早认识到这个矛盾的是法国学者达朗伯尔 (dAlembert J R, 17171783),所以这个矛盾也被称为“达朗伯尔佯谬”。
图3 麻脸的高尔夫球最早给出流体黏性摩阻实验探讨的是法国学者马略特 (Mariotte E, 1620~1684),后来为适应造船工业的需要,法国组织了系统的关于流体阻力的实验研究。在理论上真正弄清楚这个问题,一直到19世纪的中叶,先后由法国的纳维 (1820) 和英国的斯托克斯 (1845) 导出了黏性流体的运动方程,人们才开始理解流体摩阻的存在。
不过流体作用在运动物体上的阻力还要复杂一些,除了上面的这种由流体的黏性引起的阻力外,还有一种由于流场改变所产生的阻力。而且在物体运动速度较快时,这种阻力会占阻力的大部分。原来当物体快速飞行时,在物体前面和后面产生了很大的压差,即前面的压力大,后面的压力小。
如图4,表示高尔夫球往左边飞行,周围带箭头的线表示球附近的空气分子的流动轨迹。图4(a) 表示球飞行速度慢,图4(b) 表示飞行的速度快。在图4(a) 上由于球的速度慢,所以球附近的流体分子基本上是贴着球面流动的,这时球所受的阻力基本上是由流体的黏性阻力组成。在图4(b) 上,由于球飞行得快了,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,这种现象也称为边界层分离。边界层分离总是和漩涡同时产生的,我们知道在漩涡中心流体的压力是小的,这一点会游泳的人有很深的体会,游到漩涡边上,由于漩涡中心的压力小,人会被吸进漩涡中去,那是十分危险的。球后面是中心压力很小的漩涡,而球前面的压力是较大的,由于这个压力差,球就受一个很大的阻力。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,这种压差所形成的阻力也越大。从根本上说,飞行的球之所以产生边界层分离的现象也是由于流体有黏性的缘故。
图4 飞行中的高尔夫球示意 a图4 飞行中的高尔夫球示意 b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,所以高尔夫球在由皮革改用塑胶后飞行距离便大大缩短了。为此人们不得不把高尔夫球做成麻脸的,即表面布满了圆形的小坑。
麻脸的高尔夫球有小坑,飞行时小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很多,从而使得前后压差所形成的阻力大为减小。实际上,对光滑的高尔夫球,一杆子最多飞行数十米,而麻脸的高尔夫球一杆子可以飞行二百多米。可见高尔夫球麻脸的减阻效果是非常明显的。
图5 光滑与麻脸的高尔夫球飞行时的流场示意说到这里,人们自然会问,把机翼、船体等在流体中前进的物体都做成麻脸的,是不是都可以减少阻力、节约能源呢?机翼和船体不可能像高尔夫球一样设计为球形的,在设计时必须采取其它的措施来减小阻力。实际上,机翼和船体在设计时,都已经考虑到减小边界层分离所形成的阻力,为了尽可能缩小机翼和船体后面的漩涡区,机翼和船体的剖面做成了前缘较钝而后缘较尖的翼剖面,即所谓流线型剖面。具有流线型剖面的物体前进时,边界层大致是在翼的后缘分离,漩涡区是很小的,所以阻力也是很小的。这时,光滑的翼面还有减小翼面附近黏性阻力的效果,这就是为什么在空气中高速前进的物体大都是翼剖面形的缘故。自然界里,大部分鱼的形状也是翼剖面形状的,高尔夫球的形状因为只能是球形的,没有其他选择,所以只有采用麻脸的方案是唯一的减少边界层分离所造成阻力的办法。
据说最早发现麻脸的高尔夫球飞得远的事实是苏格兰的一位教师,到1930年麻脸的高尔夫球就被接受作为正式的标准。