3．誰都鐘愛流線型 遠走高飛的高爾夫球

具有流線型的物體和動物擁有的外形比小石頭乖多了。現代飛機、高速列車和小汽車擁有美觀的流線型取悅空氣或水，使它們能順暢地在空氣或水中穿梭。流線型外形細長或扁平、表面形狀光順過渡、帶有一定的弧度且表面沒有坑坑洼洼。放在流水中，水能順著這樣的外形流過，流過物體的水會貼著物面走，流水形態不亂。正因為如此，流線型的飛機可以飛得快、飛得遠。沒有體型，光有亮潔的皮膚也不一定行。高爾夫球就不是流線型，外表越光滑空氣越添堵。它干脆讓皮膚粗糙，把氣流磕得亂躥，這種亂躥的氣流反而幫忙消滅添堵的拐彎渦，使高爾夫球飛得更高更遠。這可能預示某種道理，順著來如果不行，那就反著來試試。

流線型，能順利穿梭于水或空氣中的外形（圖1.7）

具有流線型外形的物體順著長度方向運動時，水和空氣更容易從側面避讓，一部分跑到背風面。這如同更瘦小的人或更細長的車，在稠密的人群中穿梭更順暢一樣。于是，需要被迎風面推著往前走的空氣就少了，需要被背風面拖著走的空氣就少了。不難理解，這種被推動和拖動導致的壓阻就小多了。主要就剩下摩阻了。更形象地說，流線型外形纖細而又光順，運動時對水或空氣騷擾（擾動）很輕，水或空氣也就不會給流線型物體施加太大的報復作用。

經過大風吹拂的山丘、經過雨水洗刷的山坡、經過流水沖刷的內河岸，形狀也是某種形式的流線型。山形地貌有了這種形狀，氣流或水流就能順利地流過，否則就會施加較大的作用，試圖削平那些凹凹凸凸的部位。這有點兒槍打出頭鳥的味道。大自然也懂得一點兒圓滑的道理。

于是，那些需要高速行進的汽車、飛機、列車等就會被設計成流線型。這種人造外形，與自然界經受氣流或水流沖擊形成的山形地貌或優勝劣汰進化出來的動物外形，具有異曲同工之妙。外形巨大的鯨魚，在海水中能以每小時數十千米的速度游動，很大程度上得益于其擁有流線型外形。鯨魚的速度大，躲避攻擊或者捕獲獵物的能力就強，因此更容易進化出巨大的體型。

物體走弧線的離心作用（圖1.8）

既然是流線型，那么物體表面就帶有一定的弧度。說到弧度，你可以先體會一下人行弧線的感受，尤其在游樂場。

回想一下在游樂場體驗過山車、大轉盤、大擺錘或者超級波波翻的滋味吧。尖叫聲中，也許有人在喊：被捆住啦、加速啦、失重啦、感覺要甩出去啦、落下深淵啦、虛脫啦、實在是受不了。如果在快艇或沖鋒舟上，風馳電掣，急行于波濤中，一躍踏上浪尖，再砰、砰，重重地拍下去，你可能會感覺船會散架或頃刻翻倒。

那種天旋地轉的感覺，告訴你恐懼就是激情。如果說激情不恰當，那就說成刺激。據說這種“刺激”能增加皮質醇、咖啡因以及腎上腺素。在這種激情之中，人在被迫走弧線。我們所感覺到的失重或被甩出去，是因為被限制走弧線時，受到了一種指向弧線外側的離心力的作用。這種離心力如果抵消重力，就讓你有失重的感覺，特別是指離安全椅，就讓你有甩出去的感覺。以過山車為例，其運行路徑是一圈一圈的，我們被捆綁在座椅上，時而進入內圈，時而貼著外圈。繞內圈時，感覺體重增加了，繞外圈時感覺體重減輕了，有被甩出去的感覺。這就是離心力的作用。

帶弧線的流線型物體，在空氣中（在水中也如此）運動時，會迫使那些貼著表面走的空氣走弧線。任何物體，包括一小團空氣和一滴水，走弧線時，會受到一個離心力的作用。

如果要體驗一下離心力與什么有關，那么可以試著用細繩拴一塊小物體甩圓圈。此時，你感覺物體通過細繩在拉扯你，旋轉線速度相同時，繩的長度越小，拉扯的力就越大。轉速越快，拉扯的力也越大。這個拉扯的力就是離心力。如果你松手，物體就不繞你轉了，就向遠離轉動中心（即你牽引細繩的手）的方向飛去。

如果需要說一點道理，可以這樣理解。原來，運動方向也是一種慣性，你在維持物體旋轉時，相當于在不斷改變物體的運動方向。慣性本來使運動物體應該走直線，如果強迫其走彎徑，就存在試圖讓其回歸直線的離心效應，于是就得用一個力來抵消這個離心力，才能維持進一步走弧線。給運動物體一個力，力的方向垂直于運動方向，那么就不會改變速度大小，而改變速度方向。

對于有弧線表面的物體，近似看成一個圓弧，就會對應一個圓的半徑，稱為曲率半徑。這個半徑與上面所說的甩圓圈的細繩長類似，于是，流體繞弧線表面流過時，如果曲率半徑越小，即拐彎越急，離心力就越大，越容易甩離物面。因此，為了使氣團或者水團能貼著物體走，流線型物體的曲率半徑要足夠大，也就是說不要彎曲得太厲害。

設想你在公路上駕駛一輛小汽車，要橫穿一條小河，小河上有一弧形拱橋，直通河對岸，從而你開車過去時需要在這個數米長的弧形拱橋上面走。拱橋如果不高，那么小汽車就能平穩地貼著拱橋表面開過去。如果車速足夠快，那么我們會感覺體重減輕了一點（即臀部與坐墊之間的壓感小些了），即有失重的感覺。駕駛小汽車經過上面所說的拱橋，就受到了離心力，離心力抵消了一部分地球引力，使在車里的你感覺自己輕了些。

小汽車行駛在拱橋上，如果拱橋太高使弧度太大，那么速度足夠快的小汽車就可能從拱橋最高點附近飛離。就是說，拐彎太急，離心力的作用就把汽車甩出去了，即汽車與路面分離了。

非流線型 拐彎渦（圖1.9）

流線型物體雖然有弧線，但正是因為弧線，可以做成沒有拐彎太急的位置，離心效應不會太大，氣流就會貼著物體走。

反之，如果是非流線型，從迎風面避讓繞到背風面的氣流，需要拐的彎就太大或者太急。在拐彎太急的地方會在某點甩出去，這種現象在專業上稱為氣流分離。如果在水中運動，這些現象就是水流分離。

分離使從迎風面繞到背風面的空氣就少了，因此主要是背風面下游的空氣被物體拖著走，需要的力就大，因此阻力更大了。分離出去的氣流與背風面被拖進來的氣流方向相反，因此卷曲成旋渦，稱為拐彎渦（專業上叫分離渦）。

甩出去的空氣被拐彎渦卷進背風面，繞了一大圈。人走路時，錯過了該去的地方，繞一大圈折回去時，已經沒什么力氣了。類似地，對于非流線型外形，出現拐彎渦后，背風面氣壓就不足了，相比于大氣原有氣壓，就會有較大的負壓。于是總的壓阻就大。

讓流線型物體的長度方向朝著飛行方向，如扁平石頭順著飛行方向，那么就很難出現分離，壓阻就小。如果長度方向垂直于風向，那么阻力就大。你拋橢球形狀的橄欖球，比拋呈球形的排球更遠，就是因為橄欖球比圓球更接近流線型。

即使外形像流線型，如果表面不光滑，那么也不是流線型。在地上拖東西，如果地面凹凸不平，那么摩擦阻力就大。如果地面平坦，摩擦阻力就小些。一般情況下，越光滑，摩擦阻力越小。物體在空氣中或水中運動，也會受到摩擦阻力。越光滑，摩擦阻力就會越小。

非流線型 高爾夫球的凹槽（圖1.10）

但高爾夫球用光潔的外表反而沒用，因為它是非流線型外形。為了減小摩擦阻力，我們想當然應使高爾夫球表面盡量光滑。可是，不是流線型的高爾夫球百依百順也沒有用，光滑反而不能取悅空氣，阻力會更大。那干脆軟的不行來硬的，讓表面粗糙來死磕空氣，看你空氣怕不怕。還真怕，空氣讓步了，阻力減小了。當然，咱們不能這樣用嚇唬人的思維講道理。既然有結果，那就一定有理性的原因。蘇格拉底的因果定律說，每一個結果都有特定的原因或者多個原因。

重量不能大于45.93克、直徑不能小于42.687毫米的高爾夫球，有酒窩型凹坑時，可以飛得更遠、更穩。這是偶爾發現的奧秘，事先并不知道為什么。原來，一百多年前，英國工程師韋林·泰勒意外地發現：用過的高爾夫球的表面會出現不規則的破損，且這些舊的高爾夫球比表面光順的新球飛得更遠。他立即做了許多實驗，設計出了帶酒窩凹槽的高爾夫球，這樣的球飛得更遠。

帶了酒窩，就更偏離流線型了，摩擦阻力應該更大，按理飛得更近了。為何反而飛得更遠了，即阻力更小了？

原來，對于非流線型球狀物體，很容易提早產生拐彎渦，產生很大的壓阻。如果帶有凹槽，就很容易把氣流磕亂，形成所謂的湍流，讓氣團找不到方向。坐飛機時，偶爾出現空乘人員提示：飛機遇到一些湍流，有些顛簸，請系好安全帶。可見，湍流能亂得使飛機都顛簸起來。我們常見的香煙柱，下面一段是直的煙霧，上面一段是亂的煙霧。亂的部分就是湍流，煙絲一會兒串到這里，一會兒串到那里。煙霧縈繞即反復纏繞，就是對湍流的一種刻畫。

行走方向亂的幼兒，更容易鉆到別人家的房間。被打亂的氣流無規則地到處亂跑，很容易鉆進分離留下的空隙，使一旦有分離就可能被打亂的氣流填進去。因此，拐彎渦就不容易過早發生。于是本來比摩阻大得多的壓阻降低了，飛得更遠了。

高爾夫球的凹槽顯然不是隨意刻的，只有滿足一定的規律才有效。六角形的凹槽最有效。現在可以先思考一下，為何六角形最有效，是否與六角形蜂巢和六角形雪花的形成有相似道理？

更令人納悶的是，煙柱到了一定的高度怎么會變亂，哪怕在安靜的室內。如果直直的升起，煙柱就局限在一個窄的上升通道中。也許只有變亂，上下左右前后亂躥，才可以拓寬上升的通道。變成湍流可以快速拓寬活動的范圍，誰都不情愿憋在窄細空間中受約束。于是不難理解為何會出現湍流。