類高爾夫球表面可減少空氣阻力 或改善燃料效率（圖）

　　類高爾夫球表面可減少空氣阻力 或改善燃料效率

　　2014年06月26日 08:55

　　來源：鳳凰科技

　　鳳凰科技訊 北京時間6月26日消息，科學日報報道，18世紀中期，新的高爾夫球是光滑的，但隨著撞擊留下永久性的凹痕后，高爾夫球就呈現了窪坑狀表面，光滑的新球常被用於比賽，但在一場比賽里，當一名選手用完了所有新球后，他不得不使用舊的有窪坑狀表面的球，結果發現窪坑狀的球可以打得更遠。

　　

　　窪坑狀的球可以打得更遠

　　無論這個故事是真是假，測試證實高爾夫球不規則的表面的確會增加前行的距離，因為它能夠將空氣阻力產生的拖拽力減半。現在美國麻省理工學院的研究人員旨在利用相同的效應減少一系列表面上的阻力。

　　氣體力學的細節研究顯示，雖然擁有窪坑狀表面的球的確能夠在低速時減半阻力，但在高速時這一優勢就會逆轉。因此理想的狀態便是表面的光滑度在飛行過程中可以被改變，這便是麻省理工學院的研究人員正在進行的研究。這項由MIT的佩德羅·瑞思（Pedro Reis）、前MIT博士后丹尼斯·泰爾瓦涅（Denis Terwagne）（現位於比利時布魯塞爾自由大學）和米哈·布羅然（Miha Brojan）（現位於斯洛維尼亞盧布爾雅那大學）帶領的最新研究被發表在期刊《先進材料》上。

　　收縮導致起皺

　　能夠實時改變表面的能力來自於使用一種具有堅硬表皮和柔軟內部的多層材料——這與光滑的梅子在風乾後會形成起皺的乾梅子是同一基本原理。為了模仿這一過程，瑞思和他的研究小組利用柔軟的材料製造了一個中空的球，但同時它的表面非常堅硬——這兩層都是由類似橡膠的材料製成——然後抽取內部的空氣，使得球收縮，表面便開始起皺。

　　「在平坦表面上已經進行了大量有關起皺的研究，」機械工程和土木與環境工程副教授瑞思說道。「至於當表面起皺時會發生什麼，它將如何影響整個起皺過程，目前科學家們知之甚少。」結果發現，當處於一定程度的收縮時，表面會產生窪坑狀的樣式，非常類似於高爾夫球——兩者具有相同的氣動力學特性。

　　窪坑狀的球的氣動力學特性可能有些反直覺：人們可能認為具有光滑表面的球能夠比不規則表面的球更好更簡單地在空氣中飛行，而恰好相反的結果與球體表面的空氣層的本質有關。事實上，不規則的表面能夠更好地吸附氣流貼著球體表面，從而延遲這一邊界層的分離。這減小了球體背後湍流區的大小，後者是對生硬物體的拖拽力的主要原因。

　　當研究人員在對多層球體進行的初步測試里觀察到起皺的結果，「我們意識到這些樣本和高爾夫球非常相似，」瑞思說道。「我們在一個風洞里對它們進行了系統的測試，結果發現了拖拽力有所減少，這與高爾夫球的例子非常相似。」

　　由於表面紋理無法通過調節球內部壓力而進行控制，因此拖拽力的減少程度只能夠隨意調節。「我們能夠產生這種表面地形學，或者消除它，這種可逆性便是它的有趣之處，你可以隨意開關這種拖拽力-減少效應。」

　　基於這種可變性，研究小組將它們稱之為「智能的形變表面」，或者簡稱smorphs，這一雙關語意味深長，瑞思說道：「研究首席作者泰爾瓦涅是一名來自比利時的漫畫迷，他指齣卡通人物藍精靈（Smurfs）的特徵之一便是無論它們多老，都不會長皺紋。」

　　泰爾瓦涅表示製造這種用於實驗室測試的形變表面需要大量的反覆試驗法，這些試驗最終將產生一個簡單但有效的製造過程。「在自然界里往往存在這種利用簡單性來獲得非常複雜的功能性。」

　　目前很多研究人員在研究不同類型的褶皺表面，潛在的應用領域包括粘附，甚至是罕見的光學特性。「我們是第一批利用褶皺調查氣動力學特性的。」瑞思說道。

　　紋理表面的拖拽力減少已經被延伸至高爾夫球以外的領域，例如今年世界盃使用的足球便採用了相似的效應，此外還有一些田徑運動員穿的田徑服。出於很多原因，持續的表面凹陷其實是件好事。

　　然而，在其它應用中，改變表面的能力可能非常有用：例如很多雷達天線被安裝在球狀的圓頂上，這在風速較高的條件下可能發生災難性的坍塌。當強風來襲能夠改變表面以減少拖拽力的圓頂應該能夠避免這一事故的發生。另一應用在於汽車外部，調節面板的紋理以減少不同速度時的拖拽力應該能夠增加燃料效率。

　　美國伊利諾伊大學香檳分校材料研究和工程約翰·羅傑斯（John Rogers ）教授表示： 「這是一個極好的例子，展示了機械屈曲的控制過程可以用於創造具有有趣氣動力學特性的三維結構。這種方法使得成熟的表面形變的動態調節變為可能，這是其它任何方法都無法實現的。」 羅傑斯教授並未參與這項研究。（編譯/嚴炎劉星