运动的减阻——边界层的功效

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高尔夫球

体育运动中的阻力主要来自流体，包括以下３种类型：

  · 由于流体的黏性所引起的摩擦阻力；

  · 由于流动时流束变形及出现涡旋时在物体的前方和后方产生的压差阻力（也称形状阻力）；

  · 由于自由液面的波浪所产生的兴波阻力与人体在其中的动作引起的碎波阻力。

因此，对流体中运动物体的减阻，就要全面考虑各种阻力的影响，并制定出相应的解决方案。

以高尔夫球的减阻设计为例。在高尔夫球的快速飞行中，由于流体的黏性，在球后方的流体分子会贴着球运动一段时间再脱离球面，即发生边界层的分离，并同时产生涡旋。由于涡旋的中心压力较小，但是球的迎面气流压力较大，高尔夫球会受到一个很大的压差阻力。球的飞行速度越大，边界层的分离就越早，球后面形成的涡旋区域也就越大，阻力也就相应的越大。所以在以前使用光滑表面的高尔夫球时，它能够飞行的距离就非常有限。现代的高尔夫球表面则布满了“小坑”，深度约25 微米，数量为300～500 个。这些“小坑”能够使高尔夫球表面流过的空气形成一层很薄的湍流边界层，其中的小涡旋压力较小，产生的吸力使高尔夫球表面流过的空气分子保持附着状态，将边界层的分离点大幅度推后。这种情况下，在球后方所形成的大涡旋低压区便比光滑情形下小很多，球体前后的压差阻力也大大减小，其飞行距离也相应地提高数倍。

高尔夫球的减阻原理

“鲨鱼皮”泳衣

在游泳中，为了减阻通常要求人体尽量保证流线型。例如要头戴泳帽、整理头发、将头和胸部压入水中、身体保持平直、划水时让身体截面最小等，其目的大部分也是为了减小压差阻力。此外，还要注意在比赛中两侧选手由于破水前进身体产生波浪时的兴波阻力。但是，与人体泳姿动作的改进相比，对游泳辅助器械——也就是泳衣的改进更容易使选手们获得好的成绩。

仿生技术为泳衣的进一步变革指明了道路。自然界的生物体已有数十亿年的进化史，它们身上的很多巧妙原理与结构，对于人类的技术创新有着重要的指导作用。鲨鱼位于海洋中食物链的顶端，它能够在水中快速前进的核心原因就在于它的表层皮肤。鲨鱼的皮肤上具有大量粗糙的V字形皱褶，能够像高尔夫球表面的小坑一样产生大量水的涡旋来延迟表面边界层的分离，使鲨鱼获得很高的游速。

图 (左) 鲨鱼皮肤表面结构；(右) 基于鲨鱼仿生设计的“鲨鱼皮”泳衣

冰雪运动

冰雪运动中，运动员受到的阻力与游泳中略有不同，主要分为空气阻力和摩擦阻力两种，而空气阻力又占阻力中的绝大部分。由空气动力学可知，物体受到的空气阻力与运动速度的平方成正比。因此，运动员的速度越快，受到的空气阻力也越大。压差阻力是空气阻力最主要的构成部分，它与迎风面积有着最直接的关系，因此减小空气阻力最重要的出发点是优化运动员的运动姿态和改进运动服装。在运动姿态方面，运动员需要在运动速度、身体振动和身体攻角（身体运动向相对于气流的夹角）等方面做出优化，使身体努力趋近于流线型，例如常见的滑冰运动员均会在比赛中尽量下压重心并保持身体前躬等。在运动服装方面，和“鲨鱼皮”泳衣类似，合理设计的滑雪/滑冰服也能够通过改进服饰外形、织物材料和表面粗糙度、接缝的种类和位置等方面，来控制表面气体边界层，进而减少空气阻力。

摩擦阻力是冰雪运动中的重要阻力。冰雪运动中的摩擦力理论主要分为干摩擦、湿摩擦，以及混合摩擦理论三种。

  · 干摩擦理论，通常将冰雪器械与接触面之间的相对运动视为固体间的相互作用，这是最基本的摩擦力模型。

  · 但是理想的干摩擦并不存在。因为，接触面上总会存在由摩擦生热产生的纳米级液态膜，对固体间摩擦起到了润滑作用，需要用湿摩擦理论来描述。

  · 混合摩擦理论，结合了干摩擦和湿摩擦两种理论，将接触面沿着运动方向划分为多个微元，单独计算每个微元上的干摩擦和/或湿摩擦，最终以合力的形式求解总摩擦力。

由于冰雪运动中摩擦阻力只发生在与冰雪的接触面处，因此这种减阻需要通过改进冰鞋底部器械来实现。例如，一般的冰鞋上都有冰刀，其刀刃很窄，刀前部呈弯月形但中部内凹，与冰面的接触面积非常小。当人穿上冰鞋后，冰面受到的压强会大幅度增加，使冰的熔点降低，产生了更多的液态膜，增加了湿摩擦的比重，从而减小了冰鞋与冰面之间的摩擦阻力。此外，速度滑冰比赛中使用的冰刀相比于普通冰刀刀体更长，刀刃窄且相对较平，同时兼顾了减小摩擦阻力和增加蹬冰面积这两个要素，能够更有效地帮助运动员提高竞技成绩。

冰刃与冰面接触中的摩擦阻力

本文内容摘编自《力学导论》（杨卫 赵沛 王宏涛 著. 北京：科学出版社，2020.11）。

来源：星际科航微信公众号（ID：xingjikehang），内容摘编自《力学导论》。