來一腳“香蕉球”馬格努斯效應(yīng)

張永杰 施威

什么是馬格努斯效應(yīng)

什么是馬格努斯效應(yīng)呢？如圖所示，一個(gè)球形或圓柱形物體在飛行時(shí)，若其自身旋轉(zhuǎn)的方向與飛行方向不一致，就會(huì)在其旋轉(zhuǎn)角速度矢量和平動(dòng)速度矢量組成的平面上產(chǎn)生一個(gè)垂直的橫向力。在這個(gè)橫向力的作用下，物體的飛行軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這個(gè)現(xiàn)象就是馬格努斯效應(yīng)。它是由德國著名物理學(xué)家古斯塔夫·馬格努斯在1852 年發(fā)現(xiàn)并作出解釋的。但其實(shí)早在1672 年，牛頓就曾描述過這一現(xiàn)象。

神秘的力量從何而來

那么，這個(gè)橫向力是從哪里來的呢？如圖所示，足球快速旋轉(zhuǎn)，會(huì)帶動(dòng)周圍的空氣旋轉(zhuǎn)。足球旋轉(zhuǎn)方向與空氣方向相同的一側(cè)，空氣流速變大;足球旋轉(zhuǎn)方向與空氣方向相反的一側(cè)，空氣流速變小。根據(jù)伯努利定理（流體力學(xué)中的一個(gè)定律，由瑞士物理學(xué)家丹尼爾·伯努利在1726 年提出），在水流或氣流里，如果速度小，壓強(qiáng)就大;如果速度大，壓強(qiáng)就小。這樣，足球左右兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力差，也就是上文提到的橫向力。同時(shí)，由于這個(gè)橫向力與足球運(yùn)動(dòng)方向垂直，因此它會(huì)形成一種向心力，使足球的飛行方向和軌跡不斷改變。

若要運(yùn)用馬格努斯效應(yīng)踢出漂亮的“香蕉球”，首先，要利用腳法給足球施加一個(gè)向斜前方的力;同時(shí)，讓足球在出腳瞬間就開始高速旋轉(zhuǎn)，也就是要增加腳與足球的摩擦力。

馬格努斯效應(yīng)也“跨界”

馬格努斯效應(yīng)還普遍存在于其他球類運(yùn)動(dòng)中，如乒乓球、網(wǎng)球等。更重要的是，科學(xué)家將它應(yīng)用在了更廣闊的領(lǐng)域。例如，代替?zhèn)鹘y(tǒng)船帆的旋筒風(fēng)帆——發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋筒風(fēng)帆旋轉(zhuǎn)，使其周圍的氣體共同旋轉(zhuǎn)，以此為船舶提供前進(jìn)的動(dòng)力，從而降低碳排放和燃油成本。

科學(xué)家還建造了一種圓柱葉片的風(fēng)力機(jī)，利用圓柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力，可以獲得24% 的風(fēng)能最大利用率。

馬格努斯效應(yīng)告訴我們，生活中看似神奇的現(xiàn)象，背后其實(shí)都有其科學(xué)依據(jù)。因此，大家在享受體育比賽帶來的快樂和激情的同時(shí)，還要努力探究蘊(yùn)藏在其背后的科學(xué)原理，這會(huì)讓我們獲得意想不到的知識(shí)與樂趣。