足球比賽場上,一些腳法精湛的足球運動員主罰定位球時,經常會踢出運行軌跡詭異的“香蕉球”、“落葉球”,那麼為什麼踢出的足球能以弧線飛行呢?這可以用流體力學的馬格努斯效應來解釋。
馬格努斯效應
馬格努斯效應(MagnusEffect),以他的發現者馬格努斯命名,是一個流體力學當中的現象,是一個在流體中轉動的物體(如圓柱體)受到的力。馬格努斯效應可以用來解釋乒乓球中的弧線球、足球中的香蕉球等現象。在1742年英國的一位槍炮工程師本傑明·羅賓斯(Benjamin Robins)解釋了在馬格努斯效應中步槍彈丸(musket balls)運動軌跡的偏差。當一個旋轉物體的旋轉 角速度矢量與物體飛行速度矢量不重合時,在與旋轉角速度矢量和平動速度矢量組成的平面相垂直的方向上將產生一個橫向力。
原理
當一個旋轉物體的旋轉 角速度 矢量與物體飛行速度矢量不重合時,在與旋轉角速度矢量和平動速度矢量組成的平面相垂直的方向上將產生一個橫向力。在這個橫向力的作用下物體飛行軌跡發生偏轉的現象稱作 馬格努斯效應。
旋轉物體之所以能在橫向產生力的作用,是由於物體旋轉可以帶動周圍流體旋轉,使得物體一側的流體速度增加,另一側流體速度減小。
根據伯努利定理,流體速度增加將導致壓強減小,流體速度減小將導致壓強增加,這樣就導致旋轉物體在橫向的壓力差,並形成橫向力。同時由於橫向力與物體運動方向相垂直,因此這個力主要改變飛行速度方向,即形成物體運動中的向心力,因而導致物體飛行方向的改變。用位勢流理論解釋,則旋轉物體的飛行運動可以簡化為“直勻流+點渦+偶極子”的運動,其中點渦是形成升力的根源。在二維情況下,旋轉圓柱繞流的橫向力可以用儒可夫斯基定理來計算,即橫向力=來流速度 x 流體密度 x 點渦環量。
馬格努斯效應在其他方面的應用
1、彈道學
在子彈的設計上,從側風馬格努斯力會引起向上或向下的力作用在旋轉的子彈上(取決於左或右風和旋轉),導致子彈的飛行路徑上或下一個可觀察到的偏轉,從而改變衝擊點,極大地影響子彈的穩定性。
2、飛行器
一些飛行器已建成使用的馬格努斯效應與旋轉的圓筒在一翼前緣產生升力,允許在較低的水平速度飛行。
3、船舶推進與穩定性
旋翼船舶使用桅杆式推進器,這種效應用於一種特殊類型的船舶穩定器,由一個安裝在水線下並橫向出現的旋轉圓筒組成。通過控制旋轉的方向和速度,強大的升力或壓力可以生成。