3．谁都钟爱流线型 远走高飞的高尔夫球

具有流线型的物体和动物拥有的外形比小石头乖多了。现代飞机、高速列车和小汽车拥有美观的流线型取悦空气或水，使它们能顺畅地在空气或水中穿梭。流线型外形细长或扁平、表面形状光顺过渡、带有一定的弧度且表面没有坑坑洼洼。放在流水中，水能顺着这样的外形流过，流过物体的水会贴着物面走，流水形态不乱。正因为如此，流线型的飞机可以飞得快、飞得远。没有体型，光有亮洁的皮肤也不一定行。高尔夫球就不是流线型，外表越光滑空气越添堵。它干脆让皮肤粗糙，把气流磕得乱蹿，这种乱蹿的气流反而帮忙消灭添堵的拐弯涡，使高尔夫球飞得更高更远。这可能预示某种道理，顺着来如果不行，那就反着来试试。

流线型，能顺利穿梭于水或空气中的外形（图1.7）

具有流线型外形的物体顺着长度方向运动时，水和空气更容易从侧面避让，一部分跑到背风面。这如同更瘦小的人或更细长的车，在稠密的人群中穿梭更顺畅一样。于是，需要被迎风面推着往前走的空气就少了，需要被背风面拖着走的空气就少了。不难理解，这种被推动和拖动导致的压阻就小多了。主要就剩下摩阻了。更形象地说，流线型外形纤细而又光顺，运动时对水或空气骚扰（扰动）很轻，水或空气也就不会给流线型物体施加太大的报复作用。

经过大风吹拂的山丘、经过雨水洗刷的山坡、经过流水冲刷的内河岸，形状也是某种形式的流线型。山形地貌有了这种形状，气流或水流就能顺利地流过，否则就会施加较大的作用，试图削平那些凹凹凸凸的部位。这有点儿枪打出头鸟的味道。大自然也懂得一点儿圆滑的道理。

于是，那些需要高速行进的汽车、飞机、列车等就会被设计成流线型。这种人造外形，与自然界经受气流或水流冲击形成的山形地貌或优胜劣汰进化出来的动物外形，具有异曲同工之妙。外形巨大的鲸鱼，在海水中能以每小时数十千米的速度游动，很大程度上得益于其拥有流线型外形。鲸鱼的速度大，躲避攻击或者捕获猎物的能力就强，因此更容易进化出巨大的体型。

物体走弧线的离心作用（图1.8）

既然是流线型，那么物体表面就带有一定的弧度。说到弧度，你可以先体会一下人行弧线的感受，尤其在游乐场。

回想一下在游乐场体验过山车、大转盘、大摆锤或者超级波波翻的滋味吧。尖叫声中，也许有人在喊：被捆住啦、加速啦、失重啦、感觉要甩出去啦、落下深渊啦、虚脱啦、实在是受不了。如果在快艇或冲锋舟上，风驰电掣，急行于波涛中，一跃踏上浪尖，再砰、砰，重重地拍下去，你可能会感觉船会散架或顷刻翻倒。

那种天旋地转的感觉，告诉你恐惧就是激情。如果说激情不恰当，那就说成刺激。据说这种“刺激”能增加皮质醇、咖啡因以及肾上腺素。在这种激情之中，人在被迫走弧线。我们所感觉到的失重或被甩出去，是因为被限制走弧线时，受到了一种指向弧线外侧的离心力的作用。这种离心力如果抵消重力，就让你有失重的感觉，特别是指离安全椅，就让你有甩出去的感觉。以过山车为例，其运行路径是一圈一圈的，我们被捆绑在座椅上，时而进入内圈，时而贴着外圈。绕内圈时，感觉体重增加了，绕外圈时感觉体重减轻了，有被甩出去的感觉。这就是离心力的作用。

带弧线的流线型物体，在空气中（在水中也如此）运动时，会迫使那些贴着表面走的空气走弧线。任何物体，包括一小团空气和一滴水，走弧线时，会受到一个离心力的作用。

如果要体验一下离心力与什么有关，那么可以试着用细绳拴一块小物体甩圆圈。此时，你感觉物体通过细绳在拉扯你，旋转线速度相同时，绳的长度越小，拉扯的力就越大。转速越快，拉扯的力也越大。这个拉扯的力就是离心力。如果你松手，物体就不绕你转了，就向远离转动中心（即你牵引细绳的手）的方向飞去。

如果需要说一点道理，可以这样理解。原来，运动方向也是一种惯性，你在维持物体旋转时，相当于在不断改变物体的运动方向。惯性本来使运动物体应该走直线，如果强迫其走弯径，就存在试图让其回归直线的离心效应，于是就得用一个力来抵消这个离心力，才能维持进一步走弧线。给运动物体一个力，力的方向垂直于运动方向，那么就不会改变速度大小，而改变速度方向。

对于有弧线表面的物体，近似看成一个圆弧，就会对应一个圆的半径，称为曲率半径。这个半径与上面所说的甩圆圈的细绳长类似，于是，流体绕弧线表面流过时，如果曲率半径越小，即拐弯越急，离心力就越大，越容易甩离物面。因此，为了使气团或者水团能贴着物体走，流线型物体的曲率半径要足够大，也就是说不要弯曲得太厉害。

设想你在公路上驾驶一辆小汽车，要横穿一条小河，小河上有一弧形拱桥，直通河对岸，从而你开车过去时需要在这个数米长的弧形拱桥上面走。拱桥如果不高，那么小汽车就能平稳地贴着拱桥表面开过去。如果车速足够快，那么我们会感觉体重减轻了一点（即臀部与坐垫之间的压感小些了），即有失重的感觉。驾驶小汽车经过上面所说的拱桥，就受到了离心力，离心力抵消了一部分地球引力，使在车里的你感觉自己轻了些。

小汽车行驶在拱桥上，如果拱桥太高使弧度太大，那么速度足够快的小汽车就可能从拱桥最高点附近飞离。就是说，拐弯太急，离心力的作用就把汽车甩出去了，即汽车与路面分离了。

非流线型 拐弯涡（图1.9）

流线型物体虽然有弧线，但正是因为弧线，可以做成没有拐弯太急的位置，离心效应不会太大，气流就会贴着物体走。

反之，如果是非流线型，从迎风面避让绕到背风面的气流，需要拐的弯就太大或者太急。在拐弯太急的地方会在某点甩出去，这种现象在专业上称为气流分离。如果在水中运动，这些现象就是水流分离。

分离使从迎风面绕到背风面的空气就少了，因此主要是背风面下游的空气被物体拖着走，需要的力就大，因此阻力更大了。分离出去的气流与背风面被拖进来的气流方向相反，因此卷曲成旋涡，称为拐弯涡（专业上叫分离涡）。

甩出去的空气被拐弯涡卷进背风面，绕了一大圈。人走路时，错过了该去的地方，绕一大圈折回去时，已经没什么力气了。类似地，对于非流线型外形，出现拐弯涡后，背风面气压就不足了，相比于大气原有气压，就会有较大的负压。于是总的压阻就大。

让流线型物体的长度方向朝着飞行方向，如扁平石头顺着飞行方向，那么就很难出现分离，压阻就小。如果长度方向垂直于风向，那么阻力就大。你抛椭球形状的橄榄球，比抛呈球形的排球更远，就是因为橄榄球比圆球更接近流线型。

即使外形像流线型，如果表面不光滑，那么也不是流线型。在地上拖东西，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。一般情况下，越光滑，摩擦阻力越小。物体在空气中或水中运动，也会受到摩擦阻力。越光滑，摩擦阻力就会越小。

非流线型 高尔夫球的凹槽（图1.10）

但高尔夫球用光洁的外表反而没用，因为它是非流线型外形。为了减小摩擦阻力，我们想当然应使高尔夫球表面尽量光滑。可是，不是流线型的高尔夫球百依百顺也没有用，光滑反而不能取悦空气，阻力会更大。那干脆软的不行来硬的，让表面粗糙来死磕空气，看你空气怕不怕。还真怕，空气让步了，阻力减小了。当然，咱们不能这样用吓唬人的思维讲道理。既然有结果，那就一定有理性的原因。苏格拉底的因果定律说，每一个结果都有特定的原因或者多个原因。

重量不能大于45.93克、直径不能小于42.687毫米的高尔夫球，有酒窝型凹坑时，可以飞得更远、更稳。这是偶尔发现的奥秘，事先并不知道为什么。原来，一百多年前，英国工程师韦林·泰勒意外地发现：用过的高尔夫球的表面会出现不规则的破损，且这些旧的高尔夫球比表面光顺的新球飞得更远。他立即做了许多实验，设计出了带酒窝凹槽的高尔夫球，这样的球飞得更远。

带了酒窝，就更偏离流线型了，摩擦阻力应该更大，按理飞得更近了。为何反而飞得更远了，即阻力更小了？

原来，对于非流线型球状物体，很容易提早产生拐弯涡，产生很大的压阻。如果带有凹槽，就很容易把气流磕乱，形成所谓的湍流，让气团找不到方向。坐飞机时，偶尔出现空乘人员提示：飞机遇到一些湍流，有些颠簸，请系好安全带。可见，湍流能乱得使飞机都颠簸起来。我们常见的香烟柱，下面一段是直的烟雾，上面一段是乱的烟雾。乱的部分就是湍流，烟丝一会儿串到这里，一会儿串到那里。烟雾萦绕即反复缠绕，就是对湍流的一种刻画。

行走方向乱的幼儿，更容易钻到别人家的房间。被打乱的气流无规则地到处乱跑，很容易钻进分离留下的空隙，使一旦有分离就可能被打乱的气流填进去。因此，拐弯涡就不容易过早发生。于是本来比摩阻大得多的压阻降低了，飞得更远了。

高尔夫球的凹槽显然不是随意刻的，只有满足一定的规律才有效。六角形的凹槽最有效。现在可以先思考一下，为何六角形最有效，是否与六角形蜂巢和六角形雪花的形成有相似道理？

更令人纳闷的是，烟柱到了一定的高度怎么会变乱，哪怕在安静的室内。如果直直的升起，烟柱就局限在一个窄的上升通道中。也许只有变乱，上下左右前后乱蹿，才可以拓宽上升的通道。变成湍流可以快速拓宽活动的范围，谁都不情愿憋在窄细空间中受约束。于是不难理解为何会出现湍流。