空气动力学之——马格努斯效应的科学解释

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       马格努斯效应 (Magnus Effect)，以发现者马格努斯命名， 流体力学当中的现象，是一个在流体中转动的物体(如圆柱体)受到的力。

　　历史

　　这个效应是德国科学家H.G.马格纳斯于1852年发现的，故得名。在静止粘性流体中等速旋转的圆柱，会带动周围的流体作圆周运动，流体的速度随着到柱面的距离的增大而减小。这样的流动可以用圆心处有一强度为的Υ点涡来模拟。 于是马格纳斯效应可用，无粘性不可压缩流体绕圆柱的有环量流动来解释(见有环量的无旋运动)。马格纳斯效应曾被用来借助风力推动船舶航行，用几个迅速转动的铅直圆柱体代替风帆。试验是成功的，但由于不经济，所以未被采用。足球、排球、网球以及乒乓球等，侧旋球和弧圈球的运动轨迹之所以有那么大的弧度，也是起因于马格纳斯效应。

　　在1852年德国物理学家海因里希·马格努斯 (Heinrich Magnus) 描述了这种效应。然而早在1672年艾萨克·牛顿 (Isaac Newton) 在观看了剑桥学院 (Cambridge college) 网球选手的比赛后，和正确推断了这种现象的原由。在1742年英国的一位枪炮工程师本杰明·罗宾斯 (Benjamin Robins) 解释了在马格努斯效应中步枪弹丸 (musket balls) 运动轨迹的偏差。

　　技术原理

　　当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上，将产生一个横向力。在这个横向力的作用下，物体飞行轨迹发生偏转的现象称作，马格努斯效应。

　　旋转物体之所以能在横向产生力的作用，是由于物体旋转可以带动周围流体旋转，使得物体一侧的流体速度增加，另一侧流体速度减小。

　　根据伯努利定理，流体速度增加将导致压强减小;流体速度减小将导致压强增加。这样就导致旋转物体在横向的压力差，并形成横向力。同时由于横向力与物体运动方向相垂直，因此这个力主要改变飞行速度方向，即形成物体运动中的向心力，因而，导致物体飞行方向的改变。用位势流理论解释，则旋转物体的飞行运动可以简化为“直匀流+点涡+偶极子”的运动，其中点涡是形成升力的根源。在二维情况下，旋转圆柱绕流的横向力可以用儒可夫斯基定理来计算，即：

　　横向力=来流速度 x 流体密度 x 点涡环量

　　举例

　　比如，足球在气流中运动时，如果其旋转的方向与气流同向，则会在球体的一侧产生低压，而球体的另一侧则会产生高压。向前运动的球在以顺时针方向旋转时，下侧由于迎着气流运动，受到的空气摩擦力会更大。这就得使足球下侧受到的压力比上侧更大，足球在压力的作用下便会朝上偏。如果足球以逆时针方向旋转，则相反。

　　来源：哈尔滨工程大学力学实验中心(ID：CETM-HEU)
　　作者：曲嘉