為什麼滿是小坑的高爾夫球飛得更遠,而現代的飛機與航空器卻還是光滑表面的?


)因為高爾夫球表面的小坑是為了提早轉捩(有人回復說看不懂專業術語?直白點說轉捩就是層流到湍流的過渡,壁面粗糙度增加可以加速轉捩過程),在邊界層內湍流因為增加了動量混合,相對於層流可以延緩分離。雖然摩擦阻力上升了,但是因為阻力的最主要組成部分——壓差阻力下降更多,所以總的阻力下降了。

現代飛行器因為雷諾數很高,所以除了專門設計的層流翼型外,基本上在前緣附近就轉捩了,大部分翼面已經是湍流邊界層了。(其實機翼也沒你想像的那麼光滑)翼型和高爾夫球完全不一樣了,流線型相對於鈍體,本身壓差阻力小了很多,而摩擦阻力佔了相當一部分。本來就是湍流邊界層了,加小坑只徒勞增加了摩擦阻力,所以沒必要再加小坑了。相反的,在翼型上延緩轉捩是一個減小阻力係數的方法。

/************延伸閱讀1****************** 給空氣動力學未進階的同學******************
drag crisis: Drag crisis 球/圓柱 的阻力係數隨雷諾數變化問題

有人說轉捩解釋真「直白 」,那我再加幾個延伸閱讀。湍流相對於層流增加了momentum mixing,直白來講就當做是湍流把更多地高速流體微團帶到了近壁面,因此近壁面的速度梯度變大了,所以摩擦阻力增加了。對於二維分離來說,分離點的判斷就是近壁面速度梯度由正轉為負,既然湍流增加了近壁面流場的速度梯度,自然也就延緩了分離。。這麼說夠直白了吧。。我都覺得再直白簡單點就要說錯了。。
層流:Laminar flow
湍流:Turbulence
轉捩: Laminar-turbulent transition 主要分為自然轉捩,旁路轉捩以及分離導致的轉捩三種。
層流邊界層與湍流邊界層對比, Laminar and Turbulent Boundary Layers ,可以看到湍流邊界層的壁面速度梯度更大,因此摩擦阻力更大。

/**************延伸閱讀2****************給沒學過空氣動力學的同學*******************
阻力:Drag (physics) 裡面有提到對於不同外形,摩擦阻力所佔總阻力的百分比。對於翼型來說摩擦阻力佔總阻力比值遠比高爾夫球要大。
流動分離:Flow separationSeparation of Flow

另外實名反對 @Sun Junli 在樓下提到的「所以飛機是流線型的為多,那麼轉捩常常是發生在飛機尾部」。就我本科畢設做的超臨界翼型層流優化上來看,目前商用飛機的機翼在靠近前緣就發生轉捩。

我記得我以前回答過一樣的問題啊?

哪裡沒看懂就留言。。assume大家都會一點流體力學?

以上?

/************************ 以下內容添加自3月26日********************************
不知道知乎的推薦是怎麼個演算法,今天突然來了百來個贊。下面回復看不懂的人就更多了。給不懂流體力學的人解釋的話,一句話就行了——高爾夫球加坑減小了阻力,飛機上不需要這樣減阻,對飛機來說加小坑是畫蛇添足,甚至會增加阻力。


前面的幾個高票回答都已經說的很清楚了,但我想試著說得更簡單一些,然後再補充一點。

飛得遠是因為阻力小了,這裡涉及的阻力主要是粘性阻力和外形阻力。粘性阻力就像摩擦力,是氣流和表面摩擦產生的。外形阻力,也叫壓差阻力,簡單地來說外形越大的阻力也越大。另外,當氣流不再緊貼物體表面而分離時,會導致物體的有效面積變大,外形阻力也就大了。

高爾夫球上採用小坑,是為了增加氣流的能量,讓氣流分離晚一點,以減少外形阻力。如下圖所示,可以把 (b) 理解為採用小坑後使氣流分離變晚。(b) 後面的亂流區明顯比 (a) 要小多了吧,外形阻力也減小了。不過,採用小坑會增加粘性阻力,表面粗糙度增加了嘛。在高爾夫球上的權衡結果是減小的外形阻力大於增加的粘性阻力,因此會有很多小坑。


然後補充一下,在飛機機翼上,其實也存在類似的東西,叫做漩渦發生器。它們是一個一個的小突起,作用也是相同的:增加流體的能量,推遲流動分離,減小外形阻力。不光機翼上有,有的汽車上也有。


為了能讓答案更通俗一些,很多地方沒有使用術語。如果想要更專業的解答,歡迎去瀏覽那些高票答案~謝謝~


做汽車空氣動力學的來答一下 (從汽車方面回答——之前說航空器有類似的結果太輕率了,向各位航空航天的大神道歉,期待相關領域的專業回答):

一、高爾夫球表面為什麼凹凸不平?
上面有好幾位大神已經答過了,概括起來主要就是: 通過表面粗糙度來推遲氣流分離,從而降低壓差阻力。

二、汽車表面做成高爾夫球狀是否可以降低風阻?
可以!
流言終結者過實驗,在一輛車表面敷油泥,做成凹凸不平的表面,發現跑出來的油耗跟原先一樣。因為油泥本身增加了不少重量,所以扣除這部分影響的話,風阻實際上是降低的。
答主的同事曾經在全尺寸整車風洞里做過實驗,表面有坑的車子風阻係數的確要低一些。(有錢,任性!)

三、為什麼不做成高爾夫球狀?
1. 工藝: 汽車表面鈑金衝壓成形,要做出這麼多坑,對工藝要求太高;
2. 材料: 個人看法,這個對車身材料的剛度和強度等方面的性能要求也高吧;
3. 尺寸: 外表面凹凸肯定比平面要佔的體積大,從而造成車身整體尺寸變大;
4. 使用不便: 雨雪天氣,坑裡都是水……
5. 太丑!密集恐懼症的剋星!

同意某位童鞋說的,說到底還是投入產出比的問題。前面提到的同事做的風洞實驗,大費周章做出滿車凹坑,結果風阻係數也就降了1~2%,確實不划算!


這裡涉及以下幾點知識 blunt body and slender body,laminar and turbulent flow。

物體在流體中,受到氣體壓力和摩擦力。

1 blunt body and slender body
定性來說,對於blunt body鈍體, 厚度方向的跨度較大,壓力沿著物面邊界積一圈,如果前後壓力不對稱,在阻力方向分量較大,所以壓差阻力較大,摩擦阻力對就較小了。對於slender body流線體,厚度小,較為纖長,壓力積一圈在阻力方向分量較小,所以壓差阻力相對較小,此時摩擦阻力起主要作用。

總結,blunt body :壓差阻力佔大頭,摩擦阻力較小;slender body :摩擦阻力佔大頭,壓差阻力較小。

2 laminar and turbulent flow
定性來說,laminar flow 層流流動較為平穩,turbulent flow 湍流流動紊亂,流體微團交換強。粘性來自於分子的熱運動,不同速度層的分子交換越頻繁,粘性越強,摩擦力越大,湍流不僅包含分子熱運動,還包含流體微團宏觀的無規律交換,所以湍流的摩擦阻力大。由於湍流交換強,物面附近流體的慣性較大,能量較大,讓物面附近湍流停止、逆行,形成氣流分離也較難,氣流分離形成分離渦,降低了物體表面後部的壓力,由於後面部分的壓力有向前的分量,這個量被減小了,導致壓差阻力增大。
總結:層流比湍流容易出現氣流分離,如果出現分離,壓差阻力增大;但是如果層流變為湍流,摩擦阻力會增大。

高爾夫球是個鈍體,壓差阻力佔大頭,降低壓差阻力能有效降低阻力。湍流能延緩氣流分離,降低壓差阻力,所以讓高爾夫球流場出現湍流較好。湍流本身就是因為層流的穩定流動被擾亂才產生的,所以在物面做一些小坑,能加強擾動,讓湍流早點出現,降低主要的壓差阻力。
至於機翼,由於是流線體,摩擦力佔主,降低摩擦阻力效果較好,因此機翼要避免出現湍流。
以上。


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謝謝 @印子斐 指出的問題。其實我寫的這些細究起來都不嚴謹,還有不少錯誤。
好在看到了,他看的確實很認真仔細,點32個贊哈。
另外,大家可以參見樓上的解答,簡單而且還答道點子上了。
室友大神說我寫的邏輯都混亂了,自慚形愧啊。就不班門弄斧了,好好學習去呢~
以上,再次感謝。
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簡單的說一下就是:
高爾夫球能夠實現有凹坑還飛這麼遠,是因為壓差阻力的影響大於摩擦阻力,有凹坑則壓差阻力減小;而飛機不設計成如此是因為壓差阻力的改變其實不大,但這種形態會大大增加摩擦阻力,也容易造成飛機的不穩定性,這就涉及結構材料方面了。同時,飛機的機翼和尾翼有自己的一套減少阻力的措施,不需要靠凹坑來解決。而且凹坑製作的不好,效果會大大降低哦,還增加成本呢~

氣動阻力主要分兩種,一個是壓差阻力,一個是摩擦阻力。摩擦阻力確實和物體表面的光滑情況有關,(當然流體的粘性係數、速度、特徵長度等暫且不表)那麼高爾夫球做成如此多凹坑的表面,其摩擦阻力相對於光滑表面一定會有所增大。但是它依舊能飛的很遠,這就是壓差阻力在起作用了。

在粘性阻力中一般壓差阻力總是大於摩擦阻力。但在氣流未分離的情況下,因邊界層所消耗的氣流總壓,在物體後部小於其前部。因而形成壓差阻力,但其值較小,幾乎全部為摩擦阻力。一經氣流分離則壓差阻力顯著增加,分離點的出現標誌著壓差阻力開始大量出現。而轉捩點的出現標誌著摩擦阻力的突增。因而延緩分離甚至使分離不存在物體上,這是減少壓差阻力的辦法之一。而延緩轉捩甚至使轉捩點不存在物面上是減少摩擦阻力的有效措施之一。

高爾夫球的凹坑多了,增加了表面粗糙度。球在運動的過程中會提前轉捩到湍流。還是要貼個圖,感覺這樣更清楚點。(圖的版權不在我這裡,我從老師課件上摳的)

層流邊界層較湍流邊界層更容易發生流動分離。因為湍流邊界層壁面附近的流體質點因強脈動更容易與外層流速較高的流體質點發生動量交換,從而獲得更多的動量以克服逆壓的影響而向前運動。故可以延緩分離,但是不能消除分離。

因為流動分離延緩了,所以球後的尾流區就相對較小,壓差阻力也就不會那麼大,即減小了壓差阻力。

好了,那麼對於高爾夫球這種小物體來講,摩擦阻力的增加真心是不大,而壓差阻力就不一樣了,它才是降低球速的主要關鍵。做成凹坑後,壓差阻力的降低,才可以使得小球飛的更遠。當然,這個過程中,小球其實是在旋轉的。

好了,那麼對於高爾夫球這種小物體來講,摩擦阻力的增加真心是不大,而壓差阻力就不一樣了,它才是降低球速的主要關鍵。做成凹坑後,壓差阻力的降低,才可以使得小球飛的更遠。當然,這個過程中,小球其實是在旋轉的。

當然,飛機是不能旋轉的,而且更需要的就是穩定。一來是飛機大,如果做成高爾夫球表面,那摩擦阻力真心要大很多了。二來是飛機不是球體,氣動設計往往根據最優的(昨天剛學的是說,哪來的最優,只有最滿意的。說白了就是做不到最優╮(╯▽╰)╭),【所以飛機是流線型的為多,那麼轉捩常常是發生在飛機尾部,這個時候其實漩渦區就不是那麼大了。】【該句有誤】

一般來說,我們研究飛機的翼型。以亞聲速巡航飛機為例,作用在全機上的摩擦力可能佔總阻力的一半。所以應當儘可能使得飛機表面大部分處理層流狀態。而亞聲速翼型,其機翼上表面可以保持層流,達到降低翼型阻力的目的。最著名的層流翼型應當是NACA6系列。
至於超臨界翼型,主要是針對高亞聲速及跨聲速飛機使用為主,其壓力分布較普通翼型更平坦。至於流動分離點的位置,目前我沒有找到合適的資料來證實,故不再闡述。

那麼,做成凹坑是不是可以呢,當然可以,能不能減少壓差阻力呢,理論上來說應當是可以的,但是本來就不大的漩渦區,減小後也還是那麼大。而這個時候卻增加了很多的摩擦阻力,得不償失啊。何況,因為飛機對穩定性的要求,機翼、尾翼的設計都有要求的,對於轉捩有自己的一套處理辦法,自然不是靠凹坑解決的。
飛機的速度和高爾夫球的速度完全不是一個量級的,航空器還涉及到高超。因此雷諾數也更大,更容易轉捩到湍流。所以說靠凹坑來延遲轉捩還是不那麼靠譜的。

還有件事,就是要給飛機造這麼大個凹坑面,那都是白花花的銀子吶~

忽然想到,汽車表面如果做成高爾夫球表面呢,是不是可以減少阻力,最後達到減少油耗的作用呢?
汽車的速度在高爾夫球和飛行器之間,它的體積也是兩者中間的。所以找一個讓凹坑適用的物體的速度和體積(或者還有其他參數)的臨界點是不是很有趣啊~可以一試。(這句話好像很拗口的樣子)
依稀記得國外確實有人這麼做過,用橡皮泥(應該是比較貴的那種吧~)覆蓋整個汽車表面,然後做成高爾夫球表面的樣子。然後真的做了對比試驗了。最終發現油耗相對而言確實降低了。不過目前我沒找到那則內容了。

註:內容不嚴謹,看過就散了唄。(我寫論文還是很嚴謹的,要相信我啊!)


@印子斐已經說的很清楚了,我這裡只是上個圖補充一下。來源就是Van Dyke的名著An Album Of Fluid Motion:

謝謝!


太巧了也,從大前天開始做高爾夫球模擬的一個東西。
經過cfd初步表明,

帶坑的高爾夫球,帶坑的球尾部流場較穩。圓球很容易搞出上下不穩的窩結構。這會導致類似足球的香蕉球。

算例計算中,估計還需要1星期。算完後更新視頻。
看到圖上那個球表面的紅綠的東西了么。帶坑圓球比光滑圓球的這東西更穩。

這種玩意用cfd算算可以玩玩。不過是極慢的。。。我也在等結婚


目前初步結果表明: 帶坑的球容易跑直線不容易出香蕉球。因此帶坑。


應該抓住事物主要矛盾。對於高爾夫球,邊界層分離引起的壓差阻力大(大概佔90%),而摩擦阻力只佔10%,所以要使高爾夫球飛得更遠應從減小壓差阻力入手,具體措施是使其表面凹凸不平,導致表面層流邊界層提前轉變成湍流以推遲分離。而飛機的阻力以摩擦阻力為主,幾乎不發生分離。假如使用鯊魚皮能減小摩擦阻力的話倒是值得一試。


題主可以搜一下 mythbusters golf ball car
http://www.discovery.com/tv-shows/mythbusters/videos/dimpled-car-minimyth/


外行來回答,說白了流體力學專用名詞真不懂,用我理解的辦法給不懂的人來解釋。
1,流體流經物體在某個點分上下兩路流過物體;
2,流體流經上下表面由於受到阻力速度會越來越慢;
3,上下流體不是同時到達物體後部,而是在物體上下表面某個點會合;
4,由2和3一定知道在某個點上速度為零,超過該點,流體速度變負也就是進入分離態,形成漩渦,這個負速度大大增加了物體前進的動力;
5,第2點所說阻力是流體的動壓阻力,也就是粘滯阻力,第四點所說的負速度是靜壓產生的,也就是形狀阻力;
6,不管是飛機還是高爾夫球整個在飛行過程中受到的阻力都是一樣的,具體來講就是那個阻力佔上風的問題;
7,流體經過物體繞流,非流線體很容易在前面就形成分離,而流線體直到末尾才有小的分離,分離產生的阻力遠遠大於粘滯力產生的阻力,因此工程實際中為了降低流體阻力設計成流線型是個常識;
8,對於某些物體不能設計成流線型,但是為了儘可能提高物體飛行距離,降低風阻,那麼提高流體流經物體的繞流速度就非常關鍵,湍流就可以達到這個效果,高爾夫球在表面製造啃啃點點,就是為了產生高速的湍流,從而使得流體流經高爾夫球產生的零速度點大大後移,使靜壓阻力降低;
9,產生高速湍流增加的粘滯阻力小於分離變小而降低靜壓力,因此得大於失。
以上證明完畢,個人認為學流體力學把日本人寫的奇妙流體看懂再加上流體邊界層理論足夠了。真的要研究流體力學,還要加上數學,還要積累足夠多流體現象。


因為滿身是坑的飛機不好打。


飛機不知道為什麼沒有坑坑窪窪,高爾夫球坑坑窪窪是為了使空氣不過早分離,推遲到球尾部,分離層嚴重影響壓差增加阻力


這是兩個概念。
飛機光滑是為了保持層流(氣流不亂),減小摩擦阻力。飛機面積大,摩阻佔比較大,所以成為飛機設計要考慮的重要因素。
高爾夫球,就是個球,在空氣中運動時根據氣流情況不同出現兩種分離流動(壓差阻力佔主導),層流來流時球面分離位置靠前(亞臨界分離),球後分離區(負壓區)大,壓差阻力大(低阻大);湍流來流時球面分離位置靠後,分離(負壓)區小,壓差阻力(低阻)小。高爾夫球在空氣中運動,空氣一般是靜止的,與光滑球相對運動時屬層流狀態,阻力大。將球面凸凹化,增加氣流湍流度,使分離位置靠後、分離區減小、壓差阻力減小。這就是高爾夫球凸凹的原因。

為什麼兩者有差別,關鍵在於形狀產生的流動屬性。飛機表面流動不能分離,因此考慮佔主要因素的摩阻!高爾夫球表面必定產生分離,因此主要考慮壓阻。表面光滑度的差別也是應對兩種不同的流動而確定的。


看了很多其他的高票回答都覺得很有道理,但是我覺得高爾夫的球做成凹凸不平是為了增大與空氣的摩擦。球被擊飛出去之後不只是向前飛行,同時它還在不斷的自轉。由於對空氣的摩擦大了,而且流體也都是有粘性的,所以就會造成球的上下部分的流速不同。因為上半部分的流速大,所以上半部分的壓強也就小。球就會被氣流推上去。這也就是為什麼高爾夫球開球不是一個典型的拋物線,而是不斷的向上爬升。(打過高爾夫的都知道吧)個人的猜想而已,表示並沒有學過流體力學,不喜勿噴


問題提的挺好,這是低速與高速的區別


航空器要考慮ETOPES單發延長航程和氣動滑翔能力,比如說787的機翼,小翼之類的,再舉個栗子,戰鬥機很多不考慮氣動,也就等於發動機失效了很難正常返回基地,而「基米尼滑翔機」則怒刷了引擎失效滑翔的極限,理論上多一個突出物就是燃油成本和風阻,而高爾夫其他人已經解釋的差不多了^_^


因為高爾夫球表面凹凸不平可以減少球在空中飛行時所受的空氣阻力.


我覺得還是出於穩定考慮,光面的球體被擊打飛出後在空中會飄,畢竟高爾夫就是要求準確的運動


因為沒人拿杆子抽你~


飛機機翼表面做的光滑且成上表面略彎於下表面 目的是為了產生升力 且機翼前緣略圓鈍 有前緣襟翼和前緣縫翼來延遲附面層的氣流分離。 簡單的來說就是飛機更多地考慮是如何產生足夠的升力以及如何在飛行中減小阻力。所以飛機考慮的不是如何飛得更遠


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