高尔夫球为何扮“麻脸”?

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当今世界流行的各种球类运动中，高尔夫可谓是历史悠久了，早在1457年，在苏格兰议会的文件中就有了“高尔夫球”一说。其实，真正考证起来，它的起源可能更早――源自于中国的捶丸。据元代的《九经》所述，捶丸最显著的特点是“场上设窝，以杖击球，球子入窝为胜，胜则得筹”。现在的高尔夫运动和捶丸有很多相似之处。可惜的是，捶丸到了清代，就逐渐无人问津了。

关于制作材料，最早的捶丸是用木头制成。而西方后来兴起的现代高尔夫球，则是用皮革内充以羽毛来缝制，不过这种球一旦沾水，重量变化就很大。到了19世纪，人们开始改用橡胶或者塑胶压制而成的光滑圆球。但是，这种球却有一个很大问题，即击球之后，球的飞行距离大为缩短。于是，这就导致了随后高尔夫球的“麻脸”。

“麻脸”的减阻作用

高尔夫球在空气中飞行，最初时空气是被想象为没有黏性的，或者说是没有摩擦的，人们把这种没有黏性的流体称为理想流体。不过很明显，这与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以忽略的。最早认识到这个矛盾的是法国学者达朗波尔。后来，为了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，则一直到了19世纪中期，当时法国的纳维和英国的斯托克斯导出了黏性流体的运动方程，此后人们才开始理解流体摩阻的存在。

不过流体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。在物体运动速度较快时，这种阻力会占全部阻力的大部分。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。例如，在高尔夫球快速飞行的时候，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，这种现象也被称为边界层分离。边界层分离总是和漩涡同时产生的。我们知道在漩涡的中心，流体的压力较小，这一点会游泳的人深有体会：游到漩涡边上，由于漩涡中心的压力小，人会被吸进漩涡里面，那是十分危险的。同理，高尔夫球后面是中心压力很小的漩涡，而球前面的压力比较大，由于这个压力差，球就受到一个相对较大的阻力。一般来说，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。

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为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――即表面布满圆形小坑。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得多，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就可以飞行二百多米。可见高尔夫的麻脸减阻效果非常明显。

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。当然，机翼和船体是不可能像高尔夫球一样设计为球形的，实际上，在设计时相关人员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多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，这是减少边界层分离所造成的阻力的唯一办法。

升力研究：指引人类飞行时代

最早给高尔夫球的运动从流体力学的角度进行严格实验和分析的是英国爱丁堡大学的自然哲学教授P.G.泰特，他从1778年就开始系统地进行高尔夫球的运动实验，而且以“球状抛体的飞行路径”为题发表了论文，阐述了他对高尔夫球在旋转和空气阻力下的路径的理论结果。而且他和他的儿子都是高尔夫球的高手，高尔夫球在旋转时，会往上“飘”或者往下“钻”，就是由于流体对高尔夫球的作用力的缘故。

人类最早的飞行是从利用空气的浮力开始的，气球、热气球、飞艇等都是利用比重比空气小的气体所受的静止条件下的浮力起飞的。浮力的原理比较简单，古希腊的阿基米德就已经研究清楚了。利用浮力的飞行，又慢又不安全，后来逐渐被飞机替代。

前文中所说的高尔夫球在选择前进时，其实还会受到升力(即一种使物体垂直向上的力)的作用。升力是非常重要的，因为它实际上构成了航空飞行的基础，飞机的起飞正是基于运动的物体所受升力的原理来设计的。作为飞机的机翼当然不能做成球形，也不能是圆柱形，因此就要求研究一般的物体所受的升力问题。为了解决这个问题，人们建造了风洞，把物体支撑在风洞中不动，然后利用动力使风洞中流过适当速度的气流，在这种条件下去研究物体所受的力。许多人进行过对机翼模型在风洞中的实验，来选择阻力最小的翼型。

只有把任意形状物体所受的阻力和升力问题研究清楚了，我们对在空气中运动物体的认识才达到了自由。也正是伴随着这种认识上的自由，人们才不断地把高尔夫球打得更远、使炮弹射得更准、使飞机飞上高空……

从1903年莱特兄弟成功地进行人类史上首次飞行试验，迄今已一百多年了，在这一百多年里，人们对飞机的每一次重大改进，大都和对升力和阻力的研究密切相关。其中的奥秘，和高尔夫球为什么是麻脸的道理密切相关。