足球中的空气动力学Comments>>水一瓢发表于2010-07-1517:53|Tags标签：c罗,世界杯,原创,空气动力学本文作于世界杯开幕式的那个晚上，主打c罗。不过这哥们太不争气，早早废掉了。一并纪念我的2010南非世界杯。南非世界杯，直接任意球进球罕见，守门员“黄油手”事件和长传失误倒是层出不穷，这都是空气动力学使的坏。神鬼奇航当占据主场优势的加纳用一个35米左右的反弹球远射敲开乌拉圭的大门后，非洲球队看上去即将历史性首次闯进4强。直到下半场第55分钟，加纳的禁区右侧角外两米，乌拉圭获得了一个宝贵的任意球机会。通常，禁区弧顶是直接任意球的最佳区域，而角度这么偏的位置，罚球队员往往会将球传到6码线附近，以期待身材高大的队友头球攻门。乌拉圭队长弗兰将球摆好，助跑了4步，用内脚背踢向皮球的侧下部，“普天同庆”迅速飞了起来，高高越过了三名防守球员组成的人墙头顶。刹那间，加纳门将已经意识到，这个球并不是传球，而是一个南美技术型球员常用的“香蕉球”，射向他所把守的大门进角，于是金森向身体右侧移动了小碎步。可是，当“普天同庆”越过人墙后，意料不到的事情发生了：突然转向去了远角，并高速下坠。失去位置的金森只能原地跳起，试图伸展手臂救球，但还是没能摸到皮球的边——球进了！乌拉圭球员疯狂庆祝，金森则一脸困惑。赛后，弗兰获得了FIFA的本场最佳球员，他的直接任意球帮助乌拉圭六十年来再次杀入4强。对这个任意球破门，媒体纷纷称诡异，说它简直就是个“S形任意球”。S形任意球和阻力突变其实在物理学中，研究“香蕉球”不算个新玩意儿。最早研究它力学原理的是我们无处不在无缝不入的牛顿老前辈。早在1667年，他23岁的时候就已经给出网球自转和弧线球之间相互关系的深刻见解。至今看来，他的解释还是相当靠谱：当一个球体在旋转的时候，一侧比另一侧更猛烈的挤压气体，由此能够引起更大的阻碍作用。现在我们所知道的这个现象就是马格努斯效应。它是1877年，在瑞利勋爵(LordRayleigh)的论文中，以第一个正确解释该现象的德国物理学家海因里奇•马格努斯（HeinrichMagnus）的名字来正式命名的。马格努斯发现，一个沿着对称轴旋转的圆柱体在垂直对称轴的来流中会受到一个侧向力的作用。牛顿和马格努斯其实只是刚刚给我们的故事开了个头，而普朗特（LudwigPrandtl）则带来了流体力学一次彻底的革命。1904年，他发现一切流体中的物体，无论是飞机、炮弹、还是鱼儿、蝌蚪都裹着一层层看不见的流体衣服——“边界层”。为了说清楚这个概念，让我们先来讨论一个更简单的问题：空气中直线前进不旋转的小球。当一个球体在空气中滑行时，同球面接触的空气永远和球面上的那个接触点拥有相同大小和方向的速度。因此，紧贴着球体的一层空气就像一件紧身衣，形影相随地跟着球体运动。球体静止，他也纹丝不动；球体直飞，他也跟着动若脱兔。在这层紧身衣外面的那层就会稍稍宽松一点，好象一件轻薄的衬衫。它可以随着紧身衣运动，但是不像紧身衣对球体那么言听计从了。再外面一层是更宽松休闲的毛绒衫。这样一层一层穿下去，直到最外面层，便是更加宽松飘逸的倪裳羽衣服了，基本上不随球体旋转了。科学家们逐层测量空气的速度，如果某一层空气的速度只达到球面接触点速度的5%（也有人采用1%）时，他们就定义这层“衣服”是“混搭装扮”的外层边界。“外衣”到球体之间的部分合起来就叫做“边界层(boundarylayer；航空科学上也称之为附面层)”。这个边界层非常薄，例如一个一米长的平板，以20米每秒的速度平行来流飞行的话，边界层最厚的地方大概只能达到3毫米。【普朗特(LudwigPrandtl)大大(http://www.aps.org/units/dfd/resources/images/prandtlARFM.jpg)】通过边界层，球体运动就和外界发生了密切关系。因为边界层内的衣服越穿越不紧。每层之间就会发生相对运动和相对摩擦。这些摩擦将会把球体的能量消耗掉，从而减慢了球体的运动。这就是流体中摩擦阻力的由来。但是，这些摩擦阻力往往不足挂齿。在高速流动中，球体还会不断地表演“脱衣舞”（边界层分离，boundarylayerseparation）。好玩的是，那些爱脱衣服的地方都在球体后面。这些性感裸露的外面会形...