概念由來
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後,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後,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。研究
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。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。
理論
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。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。
套用領域
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。在自然界裡往往存在這種利用簡單性來獲得非常複雜的功能性。
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2014年巴西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,在其它套用中,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。另一套用在於汽車外部,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。