高尔夫球表面凹洞的奥秘

最早的高尔夫球是圆滑没有凹洞的,在偶然中,人们发现有凹洞的球居然比表面圆滑的球飞的更远。

那么,为什么有凹洞的飞得远?而表面圆滑的本来以为空气阻力较小,好像会飞的较远的,怎么会相反的呢?将高尔夫球置于空气气流中,一定为一层薄薄的界面层所包围。此时,圆滑的球,其空气界面层容易剥离,而在球后方产生空气漩涡,使后方压力降低,球前方压力较,所以因压力差导致球速下降。相对地,有凹洞的球,因界面层不易剥离,球后方之力下降不多,使得球飞得较远。

高尔夫球的形状是空气动力学研究的成果之一。这与球体绕流（即绕球体的流动）的湍流转捩及分离流现象有关。

视频：高尔夫球中的空气动力学

光滑球体绕流时，湍流转捩发生的晚，与湍流对应的规则流动称为层流。而层流边界层较易发生流动分离现象（即流线离开球的表面），造成球体背后较大的死水区，产生很大的阻力（形阻）。使高尔夫球飞行的距离很小。 而球体表面有凹痕时，凹痕促使湍流转捩发生，湍流边界层不易发生流动分离现象，从而使球体背后的死水区小，减少了阻力。使高尔夫球飞行的距离增大。 湍流的摩阻比层流要大，但与形阻相比，起得作用很小，总的阻力还是变小了。 高尔夫球表面的小突起，也能起到促使分离的作用，但突起对流动的干扰有些难以控制，造成一些侧向力（也可以叫升力）

根据高飞高尔夫球具公司空气动力学研究部主任西蒙兹与资深科学家维勒克斯回答如下： 小凹洞可以减少空气的曳力并增加升力，让高尔夫球飞得更远。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洞的球的一半。 高尔夫产业的工程师及科学家研究球杆和球之间的撞击，以找出所谓发射条件。撞击通常只维持1/2000秒，它决定了球的速度、发射角以及自旋快慢。接著， 球的飞行轨迹会受到重力以及空气动力学的影响（不管高尔夫球员如何祈祷或诅咒）。因此，空气动力学的最佳化设计（和小凹洞的图案设计有关）便成为关键。 空气对於任何在其中运动的物体（例如高尔夫球）都会施力。把你的手伸出行驶中的车外，可以很容易地说明这个现象。空气动力学家把这个力分成两部份：升力及 曳力。曳力的作用方向与运动方向相反，而升力的作用方向则朝上垂直於运动方向。 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 致后方的压力较低；尾流的范围会影响曳力的大小。小凹洞可使空气形成一层紧贴球表的薄紊流边界层，使得平滑的气流顺著球形多往后走一些，而减小尾流的范 围。因此有凹洞的球所受的曳力约只有平滑圆球的一半。 大多数的高尔夫球有300~500个小凹洞，每个洞的平均深度约为0。025公分。曳力及升力对凹洞的深度很敏感：即使只有0。0025公分这麼小的差 异，也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。小凹洞通常是圆形的，但其他的形状也可以有极佳的空气动力性能，例如凯乐威公司的HX高尔夫球，用的是六角形。

小凹洞也会影响升力。一个表面平滑的回旋球，会像飞机机翼般偏折气流以产生升力。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 来自小凹洞，它可以提供最佳的升力。