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当球旋转着前进时,空气绕过它的流动不对称,产生侧向力,于是球走过一条曲线的路径。

有关足球的“香蕉球”和乒乓球的“弧圈球”等的解释是科普的热点,但多数并未详细分析流动。本文将从流动角度深入分析球附近的流动,纠正一些认识偏差,揭示横向力的产生机理。

马格努斯效应

当一个飞行的物体同时还在旋转时,只要物体的旋转轴与飞行方向不相同,空气就会对物体产生一个横向力,物体在这个横向力的作用下轨迹发生偏转走过一条曲线,这种现象称作马格努斯效应。一般认为是德国科学家马格努斯于1852年发现并解释的,不过早在1672年牛顿就在观看了一场网球比赛后描述并正确推断了这种现象的原因。

马格努斯效应包含了各种形状物体的旋转产生的效应,我们这里只讨论球体,且旋转轴与飞行方向垂直的情况。

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常见的误解

各种球类运动中的弧线球原理都是相同的,由于足球运动的关注度高,所以网上对弧线球的解释多集中于足球的“香蕉球”。

对“香蕉球”的常见解释如下:

当旋转着的足球在空中飞行时,会带动其表面的空气薄层(即边界层)同时旋转,其一侧的空气薄层逆着来流转动,对来流形成阻碍,使来流减速;另一侧的空气薄层顺着气流转动,使来流加速。所以,球两侧的气流速度变得不同。根据伯努利原理可知,空气流速度大的一侧会形成一个低压区,空气流速度小的一侧会形成一个高压区。足球受到横向压差力的作用,使球偏离原直线运动方向。

这种解释流传非常广泛,但却是不正确的。

为什么?因为这个解释里首先说球两侧的空气速度不同是被旋转的球带动的效果,然后又用伯努利原理来说速度大的一侧压力低,速度小的一侧压力高,这是一种典型的对伯努利原理的误用。

旋转的球带动气流靠的是粘性力(或者说摩擦力),粘性力拖动气流加减速是不会产生压力变化的,必须是压差力产生的加减速才对应压力变化。换句话说,粘性力主导的运动是不能用伯努利定律的。而且旋转的球还对气流做轴功,更不能用伯努利定律了。

有人可能会说,球表面空气薄层(即边界层)内的运动是不能用伯努利定律,但边界层很薄,边界层之外就可以用了呀。那什么是边界层呢?受壁面粘性力影响的区域称为边界层,所谓“旋转的球拖动空气使其加速”指的只能是边界层之内,边界层之外的空气是不会被壁面拖动的,显然外部空气的加减速不是壁面拖动的效果。

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因此,虽然紧挨球表面两侧的空气流速确实由于球的旋转而不同,但这种速度变化是粘性力拖动产生的,并不对应压力变化。产生压力变化的加减速必须是压差力产生的才行。

压力降低与速度增加是同时发生的,同时发生的事不是因果关系,而是有共同的原因。当然,为了好理解,我们可以从牛顿定律角度来说,力是运动状态变化的原因,那么,压力变化是原因,速度变化是结果。

从这个角度来理解伯努利定律很简单:只有压差力产生的加减速才对应压力变化,而摩擦力产生的加减速是不对应压力变化的。流体从高压区流向低压区,速度增加,这是压差力的效果,但前提是不能有压差力以外的力。当粘性力不可忽略时,流体微团加速了,未必都是压力降低产生的,也可以是粘性力拖动产生的。