高爾夫球?yàn)楹伟纭奥槟槨?

當(dāng)今世界流行的各種球類運(yùn)動(dòng)中，高爾夫可謂是歷史悠久了，早在1457年，在蘇格蘭議會(huì)的文件中就有了“高爾夫球”一說(shuō)。其實(shí)，真正考證起來(lái)，它的起源可能更早——源自于中國(guó)的捶丸。據(jù)元代的《九經(jīng)》所述，捶丸最顯著的特點(diǎn)是“場(chǎng)上設(shè)窩，以杖擊球，球子入窩為勝，勝則得籌”。現(xiàn)在的高爾夫運(yùn)動(dòng)和捶丸有很多相似之處。可惜的是，捶丸到了清代，就逐漸無(wú)人問(wèn)津了。

關(guān)于制作材料，最早的捶丸是用木頭制成。而西方后來(lái)興起的現(xiàn)代高爾夫球，則是用皮革內(nèi)充以羽毛來(lái)縫制，不過(guò)這種球一旦沾水，重量變化就很大。到了19世紀(jì)，人們開(kāi)始改用橡膠或者塑膠壓制而成的光滑圓球。但是，這種球卻有一個(gè)很大問(wèn)題，即擊球之后，球的飛行距離大為縮短。于是，這就導(dǎo)致了隨后高爾夫球的“麻臉”。

“麻臉”的減阻作用

高爾夫球在空氣中飛行，最初時(shí)空氣是被想象為沒(méi)有黏性的，或者說(shuō)是沒(méi)有摩擦的，人們把這種沒(méi)有黏性的流體稱為理想流體。不過(guò)很明顯，這與實(shí)際觀察到的現(xiàn)象完全不符合，物體在空氣中飛行時(shí)的阻力是絕對(duì)不可以忽略的。最早認(rèn)識(shí)到這個(gè)矛盾的是法國(guó)學(xué)者達(dá)朗波爾。后來(lái)，為了適應(yīng)造船工業(yè)的需要，法國(guó)組織了系統(tǒng)的關(guān)于流體阻力的實(shí)驗(yàn)研究。在理論上真正弄清楚這個(gè)問(wèn)題，則一直到了19世紀(jì)中期，當(dāng)時(shí)法國(guó)的納維和英國(guó)的斯托克斯導(dǎo)出了黏性流體的運(yùn)動(dòng)方程，此后人們才開(kāi)始理解流體摩阻的存在。

不過(guò)流體在運(yùn)動(dòng)物體上的阻力還要復(fù)雜一些，除了上面的這種由流體的黏性引起的阻力外，還有一種由于流場(chǎng)改變所產(chǎn)生的阻力。在物體運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，這種阻力會(huì)占全部阻力的大部分。當(dāng)物體快速飛行時(shí)，在物體前面和后面產(chǎn)生了很大的壓差，即前面的壓力大，后面的壓力小。例如，在高爾夫球快速飛行的時(shí)候，在球的后面形成了對(duì)稱的漩渦，在球附近的流體分子“貼”著球走一段后，就脫離球面，這種現(xiàn)象也被稱為邊界層分離。邊界層分離總是和漩渦同時(shí)產(chǎn)生的。我們知道在漩渦的中心，流體的壓力較小，這一點(diǎn)會(huì)游泳的人深有體會(huì)：游到漩渦邊上，由于漩渦中心的壓力小，人會(huì)被吸進(jìn)漩渦里面，那是十分危險(xiǎn)的。同理，高爾夫球后面是中心壓力很小的漩渦，而球前面的壓力比較大，由于這個(gè)壓力差，球就受到一個(gè)相對(duì)較大的阻力。一般來(lái)說(shuō)，球的飛行速度越大，邊界層的分離就越早，在球的后面形成的漩渦區(qū)也就越大，這種壓差所形成的阻力也越大。從根本上說(shuō)，飛行的球之所以產(chǎn)生邊界層分離的現(xiàn)象也是由于流體有黏性的緣故。

光滑的球由于這種邊界層分離得早，形成的前后壓差阻力就很大，所以高爾夫球在由皮革改為塑膠后飛行距離便大大縮短了。為此，人們不得不把高爾夫球做成“麻臉”的——即表面布滿圓形小坑。麻臉的高爾夫球有小坑，飛行時(shí)小坑附近產(chǎn)生了一些小的漩渦，由于這些小漩渦的吸力，高爾夫球表面附近的流體分子被漩渦吸引，邊界層的分離點(diǎn)就推后許多。這時(shí)，在高爾夫球后面所形成的大漩渦區(qū)便比光滑的球所形成的漩渦區(qū)小得多，從而使得前后壓差所形成的阻力大為減小。實(shí)際上，對(duì)光滑的高爾夫球，一桿子最多飛行數(shù)十米，而麻臉的高爾夫球一桿就可以飛行二百多米。可見(jiàn)高爾夫的麻臉減阻效果非常明顯。

說(shuō)到這里，人們自然會(huì)問(wèn)，把機(jī)翼、船體等在流體中前進(jìn)的物體都做成麻臉的，是不是都可以減少阻力、節(jié)約能源呢。當(dāng)然，機(jī)翼和船體是不可能像高爾夫球一樣設(shè)計(jì)為球形的，實(shí)際上，在設(shè)計(jì)時(shí)相關(guān)人員都已經(jīng)考慮到減小邊界層分離所形成的阻力。為了盡可能縮小機(jī)翼和船體后面的漩渦區(qū)，機(jī)翼和船體的剖面做成了前緣較鈍而后緣較尖的翼剖面，即流線型剖面。具有流線型剖面的物體前進(jìn)時(shí)，邊界層大致是在翼的后緣分離，漩渦區(qū)是很小的，所以阻力也是很小的。這時(shí)，光滑的翼面還有減小翼面附近黏性阻力的效果。這就是為什么在空氣中高速前進(jìn)的物體大多都是翼剖面形的緣故。自然界里，大部分魚的形狀也是翼剖面形狀的。高爾夫球的形狀因?yàn)橹荒苁乔蛐蔚模瑳](méi)有其他選擇，所以只有采用麻臉的方案，這是減少邊界層分離所造成的阻力的唯一辦法。

升力研究：指引人類飛行時(shí)代

最早給高爾夫球的運(yùn)動(dòng)從流體力學(xué)的角度進(jìn)行嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)和分析的是英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的自然哲學(xué)教授P.G.泰特，他從1778年就開(kāi)始系統(tǒng)地進(jìn)行高爾夫球的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，而且以“球狀拋體的飛行路徑”為題發(fā)表了論文，闡述了他對(duì)高爾夫球在旋轉(zhuǎn)和空氣阻力下的路徑的理論結(jié)果。而且他和他的兒子都是高爾夫球的高手，高爾夫球在旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)往上“飄”或者往下“鉆”，就是由于流體對(duì)高爾夫球的作用力的緣故。

人類最早的飛行是從利用空氣的浮力開(kāi)始的，氣球、熱氣球、飛艇等都是利用比重比空氣小的氣體所受的靜止條件下的浮力起飛的。浮力的原理比較簡(jiǎn)單，古希臘的阿基米德就已經(jīng)研究清楚了。利用浮力的飛行，又慢又不安全，后來(lái)逐漸被飛機(jī)替代。

前文中所說(shuō)的高爾夫球在選擇前進(jìn)時(shí)，其實(shí)還會(huì)受到升力(即一種使物體垂直向上的力)的作用。升力是非常重要的，因?yàn)樗鼘?shí)際上構(gòu)成了航空飛行的基礎(chǔ)，飛機(jī)的起飛正是基于運(yùn)動(dòng)的物體所受升力的原理來(lái)設(shè)計(jì)的。作為飛機(jī)的機(jī)翼當(dāng)然不能做成球形，也不能是圓柱形，因此就要求研究一般的物體所受的升力問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們建造了風(fēng)洞，把物體支撐在風(fēng)洞中不動(dòng)，然后利用動(dòng)力使風(fēng)洞中流過(guò)適當(dāng)速度的氣流，在這種條件下去研究物體所受的力。許多人進(jìn)行過(guò)對(duì)機(jī)翼模型在風(fēng)洞中的實(shí)驗(yàn)，來(lái)選擇阻力最小的翼型。

只有把任意形狀物體所受的阻力和升力問(wèn)題研究清楚了，我們對(duì)在空氣中運(yùn)動(dòng)物體的認(rèn)識(shí)才達(dá)到了自由。也正是伴隨著這種認(rèn)識(shí)上的自由，人們才不斷地把高爾夫球打得更遠(yuǎn)、使炮彈射得更準(zhǔn)、使飛機(jī)飛上高空……

從1903年萊特兄弟成功地進(jìn)行人類史上首次飛行試驗(yàn)，迄今已一百多年了，在這一百多年里，人們對(duì)飛機(jī)的每一次重大改進(jìn)，大都和對(duì)升力和阻力的研究密切相關(guān)。其中的奧秘，和高爾夫球?yàn)槭裁词锹槟樀牡览砻芮邢嚓P(guān)。

責(zé)任編輯 劉 嬋