為何高爾夫球表面布满了小坑洞?

本文围绕「為何高爾夫球表面布满小坑」這個問題,介绍了高爾夫球發展演變的歷程,並结合流体力学中的理想流体、达朗贝尔矛盾、边界层分离等相关概念,解釋了表面布满小坑的「麻脸」高爾夫球能夠通過推後边界层分离点、缩小涡流區來減小前後压力差所產生的阻力,從而比光滑的高爾夫球飛得更遠的原理。

為何高爾夫球表面布满了小坑洞?

為了飛行,飛機通常需要尽可能光滑的表面和流線型的身體,但高爾夫球恰恰相反,高爾夫球表面有大約 300 個小坑。為什麼高爾夫球要設計成這樣呢?

“麻脸”让高尔夫球飞得更高更远。在现今世界上流行的各种球类运动中,高尔夫球可谓“老将出山”,已有五六百年的历史了。最早的高尔夫球是木制的,后来改用皮革缝制,里面填充羽毛。不过这种球有一个大缺点,就是当球被打入水中或被露水弄湿时,重量会发生变化。从 1845 年开始,出现了用橡胶或塑料压制而成的光滑圆球,它们的优点是不会因被水打湿而增加重量。但随后又发现了一个大问题,就是每次击球后,球飞行的距离大大缩短。原来的皮革球虽然比较粗糙,但飞行距离更远。为什么表面光滑了,飞行距离反而缩短了呢?后来人们发现,球体表面的設計大有学问!

最初人们认为空气是没有粘性的,或者说是没有摩擦力的。科学家把这种没有粘性的流体称为理想流体。按理说,在理想流体中飞行的物体不应该有阻力。但是这与实际观察到的现象完全不符,物体在空气中飞行时受到的阻力绝对不可忽视。最早认识到这个矛盾的是法国学者达朗贝尔,因此这个矛盾也被称为“达朗贝尔佯谬”。对高尔夫球飞行距离的研究,可以说是由此开始的。

当高尔夫球在空中飞行速度较慢时,球附近的流体分子基本上是贴着球面流动的,这时球所受到的阻力基本上由流体的粘性阻力组成。而当球飞行速度较大时,在球的后面会形成对称的涡流,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。边界层分离总是和涡流同时产生的。在涡流的中心,流体的压力较小,若在海洋大涡流周围的物体就会被吸进涡流中去。这在许多灾难电影中都有表现。球后面是中心压力很小的涡流,而球前面是较大的压力差,由于这个压力差,球就会受到很大的阻力。一般来说,球的飞行速度越大,边界层分离越早,在球后面形成的涡流区也越大,这种压力所形成的阻力也越大。从根本上说,飞行的球之所以会产生边界层分离的现象,也是因为流体有粘性。

在光滑的球的表面,由于这种边界层分离较早,形成的前后压力差所构成的阻力就很大,所以高尔夫球从皮革改为塑料后,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”,即表面布满了圆形的小坑。“麻脸”的高尔夫球飞行时小坑附近会产生一些小的涡流,由于高尔夫球表面附近的流体分子被涡流吸引,边界层的分离点就推后许多。因此,在高尔夫球后面所形成的涡流区便比光滑的球所形成的涡流区小很多,从而使得前后压力差所形成的阻力大为减小。光滑的高尔夫球一杆最多飞行几十米,而“麻脸”的高尔夫球一杆可以飞行 200 多米以上。可见高尔夫球“麻脸”的减阻效果是十分明显的。