我復現了香蕉球
今天咱們就來研究一下香蕉球。這種在運動中會轉彎的球,大家常叫它香蕉球,那么究竟是什么力讓它變了運動方向呢?

首先,這類現象中的小球,它在運動中都是旋轉的。旋轉的小球在空氣中運動,由于空氣粘性,球周圍空氣被帶動起來,流動方向和旋轉方向相同一側的空氣被加速,而另一側的空氣被減速。這一加一減,導致小球周圍形成一個非圓形的邊界層區域。在這個區域外,被加速一側的空氣流動路徑被擠壓,造成該側空氣流速比另一側大。根據伯努利原理,流速大壓強小,根據伯努利原理,一側流速變大壓強變小,另一側流速變小壓強變大,球兩側形成壓力差,就受到一個側向的力,使運動方向發生偏轉。

為了讓大家更直觀地看到球旋轉中兩側的壓力差,用AICFD做了個仿真。讓空氣以50m/s的速度吹過來代替小球飛行,當不旋轉時,球周圍的壓力對稱,小球不會受到側向力。但當球轉起來后,上面流速明顯增大,壓力變小,于是,小球就受到了側向力的作用。

這個現象,雖然在1672年,牛頓就在看網球中發現了這個使球偏轉的力,但直到1852年,德國物理學家馬格努斯正式描述了這個效應后,人們才將它命名為馬格努斯效應。一定程度內,球表面越粗糙,馬格努斯效應越明顯。
足球不是一個光滑的球面,而是由32塊皮縫制成的。從流體力學的角度,一個是能減小飛行阻力(參考前期文章“高爾夫球為什么有這么坑”),另一個是可以增強馬格努斯效應,更容易踢出香蕉球。
理論和仿真想必大家都很理解了,下面做什么呢?沒錯,你懂我的,我想復現香蕉球。說起來很簡單,讓球轉起來飛,就可以了。可能不太明顯。

借用了阿飛的風扇,為了防止旋轉時,有從下面吹上來的風的干擾,把這個扇葉拆了。
然后給小船找了個水池。假設這個球向前飛,就相當于我給它一個向后的風,一會兒讓小球順時針轉,根據剛剛的分析,它會受到向左側的力,而向左側移動。反方向吹風,相當于球往另外一側飛,它就受到向右的側向力,從而向右側移動啦!馬格努斯效應還是很明顯的。

除了足球,網球、乒乓球、排球、棒球等都會用到這個現象,讓旋轉的球,產生側向力,打出弧度。

除了球類運動,馬格努斯效應在工程上也有應用。上世紀80年代,就出現了裝著大圓筒的船,根據風的速度和方向,圓筒可以自動調整旋轉方向和速度,橫風吹來時,產生向前推力,起到省油的效果。今年6月17日,國內第一艘安裝轉筒帆的船在江蘇正式起航。四根直徑3米,高24米的大圓筒,可以給船省油5%-10%。

在軍事領域馬格努斯效應對于旋轉彈丸和導彈的設計、制導控制也有著重要的作用。
本期關于香蕉球和馬格努斯效應就講到這里啦,大家還想了解哪些自然現象,歡迎給我彈幕留言,能研究的,就安排!咱們下期見!拜拜
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