【i专栏】神奇好玩的流体现象系列(六)| 有“酒窝”的高尔夫球

科技   科技   2024-10-16 03:00   英国  

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      在绿茵茵的高尔夫球场上,一个个白色的高尔夫球被击打后,在空中划出一道道优雅的弧线,最终精准地落入远方的球洞。每一个高尔夫球都有一个梦想,那就是:我想要飞的更高,飞的更远...... 然而,如果你拿着高尔夫球仔细看,就会发现它并不是一个标准的圆形小球。那么静液压的小伙伴们,你是否曾好奇过,为什么这些好好的高尔夫球体表面却布满了密密麻麻的小坑(Dimpled Golf)呢?这背后隐藏着怎样的科学原理和有趣故事呢?今天就和小编一起来看看流体力学怎么帮助高尔夫球实现飞的更高更远的梦想的吧!

       高尔夫球(Golf)在飞行过程中,会受到空气阻力的影响,这种阻力会限制球的飞行距离和稳定性。后来们观察到一个奇怪的现象:一些磨损的球或表面不平整的球反而比新的光滑球飞得更远,这是什么原因呢?制造商们于是做了很多的设计尝试,直到最后形成了今天的高尔夫表面形状设计: 在球表面设计了许多小坑(也被称为“凹坑”或“酒窝”)。基于动力空气学的深入研究和精心设计,这些凹坑通过改变球周围的气流特性,从而实现了减少阻力和增加升力的效果


什么原理?

高尔夫球上加了小坑就有了如下的作用:

  1. 减少空气阻力:当高尔夫球高速飞行时,其前方的空气会被压缩形成高压区,而后方的空气则形成低压区并产生涡流。这些涡流会增加空气阻力,影响球的飞行距离。球表面的凹坑能够扰乱球周围的气流,使边界层的气流更贴近球体表面流动从而减小涡流的范围和强度,进而降低空气阻力据估计,这种设计可以减少大约20%的阻力。

  2. 增加升力:升力是使物体向上运动的力。在高尔夫球飞行过程中,凹坑能够加速球上方的空气流速,形成一个低压区,而球下方的空气流速相对较慢,形成高压区。这种压力差产生了向上的升力,有助于球保持飞行高度和增加飞行距离。特别是当球以一定的自旋速度飞行时,凹坑还能通过偏折气流的方式进一步增强升力效果,使球获得更高的飞行高度和更远的飞行距离。

  3. 提高稳定性:除了减少阻力和增加升力外,凹坑设计还有助于提高高尔夫球的飞行稳定性。通过改变球周围的气流分布,凹坑能够减少侧风等外部因素对球飞行轨迹的影响,使球在飞行过程中保持更稳定的轨迹。

下图比较了圆球和带凹坑的球从右往左飞行的时候的气流。可以看到带凹坑的小球扰乱了周围的气流,使得尾部形成的阻力通道变的更小,更容易飞行。


这玩意有啥用?

1. 航空航天领域:在航空航天领域,研究人员借鉴了高尔夫球表面凹坑设计的原理优化飞行器的气动性能。通过在高速飞行器(如飞机、导弹等)的表面设计类似的微小凹陷或纹理,可以有效减少空气阻力,还能在一定程度上改善飞行器的稳定性和控制性。

2. 机械工程领域:在机械工程领域,凹坑设计被应用于减少零件间的摩擦和磨损。例如,在轴承、齿轮等关键部件的表面设计微小的凹坑或纹理,可以改善润滑油的分布和保持性,从而降低摩擦系数和磨损率。

3. 生物医学领域:在生物医学领域,研究人员利用凹坑设计来提高人工关节和生物材料的表面性能。通过在植入物(如人工关节、心脏瓣膜等)的表面设计微小的凹坑或纹理,可以增强其与周围组织的结合力,促进细胞生长和分化。

4. 体育器材领域:除了高尔夫球本身外,凹坑设计还被应用于其他体育器材的制造中。例如,在网球拍、羽毛球拍等器材的表面设计微小的凹陷或纹理,可以提高球拍的握持感和控制性。

5. 其他领域:凹坑设计还可以扩展到其他领域,如汽车工业(优化车身表面以减少风阻)、建筑设计(改善建筑外观以减少风压)、流体动力学研究(模拟水流过凹坑表面的行为)等。


        在高尔夫球的表面增加一些凹坑来增加飞行距离,看起来好像很简单的设计变更,却是基于空气动力学原理的一种艺术与技术的完美结合。小编虽然不怎么打高尔夫球(主要还是银子不够),但是咱用科学方法解释起它的设计来也是一套一套的呀!

        另外,之前说过受伤的小球才能飞的更远,看来:

        那么各位小伙伴,你觉得这个高尔夫球表面增加凹坑的设计和你现在的工作,生活能碰撞出什么火花来?你觉得它还能用在哪里呢?快打开你的脑洞,和小编一起聊聊吧!



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