书城童书无处不在的物理(人生解密)
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第43章 为什么高尔夫球有很多小坑

表面光滑的高尔夫球一杆只能打出几十米,而布满500来个圆形或六边形小坑的“麻脸”高尔夫球却可以打到200米开外。这是怎么回事呢?为什么高尔夫球表面上布满小坑反而打得更远呢?有人说这样空气阻力会小,可是一般都是物体表面越粗糙,摩擦阻力越大,空气和高尔夫球的接触面布满小坑,那为什么高尔夫球受到的空气阻力却变小呢我们知道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。我们把手伸出行驶中的车外,可以很容易地说明这个现象。根据空气动力学,可以把这个力分成两部分:阻力和升力。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,从而让高尔夫球飞得更远。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。

一颗高速飞行的高尔夫球,其前方会有一高压区,空气流经球的前缘再流到后方时会与球体分离。同时,球的后方会有一个紊流尾流区,在此区域气流起伏扰动,导致后方的压强小,压力较低。尾流的范围会影响阻力的大小。通常说来,尾流范围越小,球体后方的压力就越大,空气对球的阻力就越小。小凹坑可使空气形成一层紧贴球表面的薄薄的紊流边界层,使得平滑的气流顺着球形多往后走一些,从而减小尾流的范围。因此,有凹坑的球所受的阻力大约只有平滑圆球的一半。

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,就像飞机机翼一样偏折气流从而产生升力。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300~500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,即使只有0.025厘米这么小的差异,也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。小凹坑通常是圆形的,但其他的形状也可以有极佳的空气动力性能,例如某些公司生产的高尔夫球采用的是六角形。这和飞机机翼般偏折气流以产生升力是一样的道理。

让我们来看看飞机起飞跟机翼构造的关系。我们来看飞机的机翼构造。原来,飞机机翼的上下两侧形状不一样的,上侧的要凸些,而下侧的则要平些。当飞机滑行时,机翼在空气中移动,从相对运动来看,等于是空气沿机翼流动。由于机翼上下侧的形状是不一样,在同样的时间内,机翼上侧的空气比下侧的空气流过了较多的路程(曲线长于直线),也即机翼上侧的空气流动得比下侧的空气快。根据流动力学的原理,当飞机滑动时,机翼上侧的空气压力要小于下侧,这就使飞机产生了一个向上的浮力。当飞机滑行到一定速度时,这个浮力就达到了足以使飞机飞起来的力量。于是,飞机就飞上了天。