新闻

球类运动中的空气动力学应用

作者:188金宝搏的网址 发布时间:2020-09-18 12:34 点击数:

  球类运动中的空气动力学应用_工学_高等教育_教育专区。球类运动中的空气动力学应用 我国对体育运动中的空气动力问题的研究是从 80 年代初开始的, 特别是 1983 年 10 月, 中国力学学会, 中国体育科学学会和中国空气动力学会联合在广州召开了全国体育

  球类运动中的空气动力学应用 我国对体育运动中的空气动力问题的研究是从 80 年代初开始的, 特别是 1983 年 10 月, 中国力学学会, 中国体育科学学会和中国空气动力学会联合在广州召开了全国体育运动与流 体力学学术座谈会后,进一步促进了这方面的科研工作。 1. 球类运动中的空气动力学运用 空气动力学被应用于田径运动、水上运动、球类运动等项目中,如标枪、铁饼、自行车 等等,本文将简要的从空气动力学角度,分析、计算球类运动中空气动力学所起到的提升作 用。 本文将主要从足球、排球、高尔夫球三种球类运动来进行分析 1.1 足球中的空气动力学运用 爱看足球的人一定知道,足球并不是一尘不变的,相反,多个公司一直在致力于推出更 美观、性能更好的新式足球。 以下将以几种极具代表性的足球进行分析 1.1.1 飞火流星 “Fevernova”中文译名是“飞火流星”。 “飞火流星”是阿迪达斯自 推出 1978 阿根廷世界杯指定比赛用球 TangoTM 后第一次采用突破常规的设 计。 在外观设计上融入现代亚洲文化的元素, 更具动感和创新。 “飞火流星” 所采用的高科技合成的泡沫层结构是基于 1998 法国世界杯三色 球的改良。 改进后的泡沫层由众多超强耐压且大小相等的微型气囊构成, 该结构赋予了球身出众的能量回复性能及额外的受力缓冲性能, 有效提高了 足球的可控性及运行的精准度。(1998 年三色球) 英文名“Fevernova”分为两个部分: “Fever”在英文中是“狂热”的 意思,意指每四年就会在全世界范围内掀起的一股足球狂潮,在世界杯进行 的一个月里,整个世界都将沉浸在这一足球盛事的欢庆中。“Nova”原意是 一颗在短时间内发光的强烈的星星。 中文名“飞火流星”来自阿迪达斯公司内部征名, 取名灵感源于一幅抽 象画, 画中一名身腾火苗的足球运动员带球飞速前冲, 即有了“飞火”二字, 也是 Fever 的谐音。中文释义:世界杯这项注重速度与技术的狂热运动第一 次飞降文明东方,永恒的“流星”即代表该球的创新和性能,也指场上的众 星闪耀。“飞火流星”字面上极具东方色彩,内涵中更显足球战场上的刀光 剑影。“飞火流星”,一个绝妙美名。 和以前的世界杯指定用球所不同的是, “飞火流星”在表面的设计上实 现了突破,被设计师们赋予了一个新鲜且充满活力的形象。富有动感的新颖 外观是受到韩日两国哲学思想启发的结果:金色象征着主办国韩国、日本赋 予 2002 世界杯的激情与活力;红色的火焰代表热情的动力;球身中央以涡 轮为图案的四个三角形用工业语言诠释出球体的完美平衡, 也象征着韩日两 国近年来在科技创新中所取得的成就。 与表面的突破相比, “飞火流星”在内部构造方面的进步还是要大得多。 在通过与齐达内、贝克汉姆、巴特斯等顶尖球员沟通之后,阿迪达斯在 98 世界杯“三色球”的基础上对世界杯比赛用球进行了进一步的改进, “飞火 流星”的外层运用了高科技合成的泡沫层结构, 这一结构呈复合排列的泡沫 层使“飞火流星”具有了超越现有任何一款足球的卓越性能。 改进后的泡沫 层由众多超强耐压且大小相等的微型气囊构成, 该结构赋予了球身出众的能 量回复性能及额外的受力缓冲性能, 有效提高了足球的可控性及运行的精准 度。同时,三层复台的针织内层贴布又为“飞火流星”提供了良好的三维运 动特性, 确保了足球在每次行进中均能拥有一条更为精准且更易预测飞行轨 迹。 “飞火流星”拥有出众的能量回复性能以及近乎完美的重量与圆周率, 经阿迪达斯位于德国施恩费德的足球研发中心的机械腿的大量测试,证明 ‘飞火流星’的飞行精准度可谓史无前例, 且各项指标已经超越国际足联当 时的所有标准。 1.1.2 普天同庆 除了外观, 2010 年南非世界杯比赛用球在技术上实现了历史性的突破: 组成球体的八片表皮使用了 EVA 和 TPU 相结合的材质, 并采用球形制模方式 实现三维立体结构,仅用八块表皮就将足球拼接完成。 从而可以完美地包住球体内胆,使足球达到前所未有的圆度,从而使得 “普天同庆”成为了有史以来“最圆的足球”。 空 气 动 力 凹 槽 (Aero grooves) : 根 据 空 气 动 力 学 原 理 , “Grip’n’Groove”球面在适当的位置嵌入清晰可见的空气动力凹槽,使 “JABULANI”成为阿迪达斯有史以来最稳定、最精准的足球。 超微凸纹表 面(Grip):继去年欧洲杯推出独特纹理球面后,阿迪达斯对全新世界杯比赛 用球的球面又有了革新。“JABULANI”卓越的超微凸纹表皮设计,进一步提 升球员在不同天气情况下对球的全面控制。 在英国拉夫堡大学和德国阿迪 达斯实验室进行的大规模比对测试以及无数次风洞测试都证明,“普天同庆” 在运行线路上的精度与准确度都达到了前所未有的高度。同时,球体上的空 气动力凹槽和超微凸纹表面等高尖精设计, 也使得皮球拥有超卓的稳定飞行 路线以及在任何的天气条件下都能实现的完美操控性。 1.1.3 香蕉球原理 “香蕉球”为什么会在飞行中拐弯?当 “香蕉球”一边飞行一边自转 时,会带动表面的空气一起旋转,其中一侧转动的线速度和球的前进速度相 加,使得迎面气流受到较大阻力,另一侧情况则恰恰相反,自转的线速度和 前进速度相减。于是带来了球的两侧气流速度不同。根据伯努利原理“流速 越快压力越小”。“香蕉球”便受到一个侧向的力,也称“马格努斯力”, 导致了飞行轨迹的弯曲。伸出右手,用食指表示球的飞行方向,蜷曲的三指 表示球的旋转方向,与食指水平垂直的拇指则表示“马格努斯力”的方向。 1.2 排球中的空气动力学应用 不旋转,在空中飘晃飞行的球称为飘球,主要见于发球之中。飘球在飞 行中的飘晃性能给运动员的判断带来了困难, 因此它可以增加接发球的难度, 是常用发球技术之一。从现象上看,飘球的运动轨迹类似周期摆动,或是以 突然失速下吊的方式运动,而不是沿抛物线轨迹运动。从发球技术上看,发 飘球时,要使作用力通过球体重心,使球不发生旋转。击球时手和球的接触 面要小,发力突然、短促,手腕跟球的时间要短。 和急速旋转的香蕉球、弧圈球恰恰相反,飘球的特点是完全不旋转。 这就需要击球时直线挥臂、骤打突停、让作用力通过球的重心。飘球的飞行 轨迹飘晃不定、十分诡异,可偏离正常抛物线 米,并且具有随机 性和不可预测性,因此极易造成接球的困难和失误。 1.2.1 飘晃 在空气中飞行着的不旋转物体,由于没有旋转轴,因而其飞行轨迹是不稳定的,容 易产生飘晃。飘荡——击球瞬间施力造成运行中的凹凸变换 1.2.2 下沉飘球 飞行中球速降到 5~10 米/秒时,球体将受到近两倍于球速的强大空气阻力,球体 产生明显的横向力(也风速垂直),并且这种力在球飞行过程中始终存在,只是在特定 速度下,该侧向力特别强烈,此时球体会突然失速,加上地心引力的作用,自然形成 了下沉飘球。 1.2.3 倾斜下落 制球所用的材料不完全均匀,受球嘴位置及重量的影响,使得球的实质重心和几 何重心不一致。球体在飞行过程中,重心一方迎风面积小,风阻力小;球心一方迎风 面积大阻力大,所以球必绕重心转动。由于摆动,球体两侧气流速度改变,球重心一 方加快,球心一方减慢,所以球向重心方向产生第一次飘晃,转到重心/球心位置改变 时产生第二次飘晃,所以球体轨迹不断发生变化。因此,当球体不旋转 飞行并处于不 稳定状态下,便会产生飘晃和朝着实际重心的方向倾斜下落。 1.2.4 随机现象 球的飘晃是一种随机现象,不能按队员意志加以控制。但发飘球的关键在于击球 的作用力要通过球体重心,使球不旋转地飞出。为此,击球时手腕要保持紧张,形成 一个坚硬的平面,用力要迅速集中。实践中常常可以发现,手击球的瞬间,如果手臂 做迅速的下拖动作,可能使球产生重飘或上下飘的现象;如果手臂突然停止用力,无 下拖动作,可能使球产生轻飘或左右飘的现象;如果手臂随球继续向前用力,可能使 球突然减速下沉。 1.3 高尔夫球中的空气动力学应用 球的旋转必然带来飞行轨迹的弯曲, 旋转和曲线共存, 这大约可以视为球类运动的一个 通则。 高尔夫球在飞行过程中, 附着于表面的空气 “边界层” 会在球的尾部脱离并产生漩涡, 形成“低压区” 。球的前沿和后沿之间的“压差阻力”严重阻碍球的前进。而相对粗糙的表 面能使“边界层”空气更好附着和延迟分离,从而减少压差阻力。此外,以下旋为主的高尔 夫球还能因马格纳斯力而带来升力,增加停留在空中的时间。 、 由图可知光滑球和粗糙球的 阻力系数 CD 随 Re 变化有一 个突降点。 这种现象可解释如下: 以光滑球为例,突降点在 Re=3x105 即 a 点附近,当 Re3x105 时,边界层为层 流状态,当 Re3x105 时,脱体点附近已是湍流边界层,由于层内和层外流体通过脉动 发生强烈的动量交换, 所以动量较大的边界层外部流体将有力的帮助层内流体克服逆压和粘 性滞带作用而向前运动,这样推迟了脱体现象的发生,从而缩小尾涡区,使压差阻力大大减 小 。 而根据雷诺公式: Re= ρvd/η 假设系数如下: ρ =1.1691kg/m3 25℃空气密度 -3 d=42.67×10 m v=60.00m/s η =1.84×10-5Ns/m2 25℃时空气粘度 5 可以算得 Re=1.6267×10 对比该图可知在 Re=1.6267×105 时大致在图中 c,d 处,可见粗糙球的 Cd 大致是 光滑的两倍,这也就从数值上解释了一开始的问题。 2.所用到的空气动力学理论 2.1 伯努利方程 理想正压流体在有势体积力作用下作定常运动时,运动方程(即欧拉方程)沿流线积分 而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。因著名的瑞士科学家 D.伯努利于 1738 年提出而 得名。对于重力场中的不可压缩均质流体 ,方程为 p+ρgh+(1/2)*ρv^2=c 式中 p、ρ、v 分 别为流体的压强、密度和速度;h 为铅垂高度;g 为重力加速度;c 为常量。 上式各项分别表示单位体积流体的压力能 p、重力势能 ρgh 和动能(1/2)*ρv ^2,在沿流 线运动过程中,总和保持不变,即总能量守恒。伯努利方程揭示流体在重力场中流动时的能 量守恒。由伯努利方程可以看出,流速高处压力低,流速低处压力高。 伯努利方程揭示流体在重力场中流动时的能量守恒。 由伯努利方程可以看出, 流速高处 压力低,流速低处压力高。 2.2 马格努斯效应 马格努斯效应(Magnus Effect) ,以他的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。 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, 从物 理角度分析,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。 马格努斯效应可以用来解释乒乓球中的弧线球、 足球中的香蕉球等现象。 利用马格努斯 效应还设计出了带旋转的飞艇,这种飞艇通过旋转可以增加、调节飞艇的升力,是飞艇设计 中一种很有趣的设计方式。 3.结论 体育科研是提高运动成绩重要手段。 当今, 体育科研除了其本身正在向着深入综合主向 发展外, 还要充分利用其它科学领域中的新成果和新技术。 空气动力学是其中其引人注目的 一个对体育运动训练产生作用的学科。 多数的竞技体育运动项目都是和运动员及运动器械在空气中流动相关, 它们有大量的空 气动力学问题需要研究和解决。 这些问题基本可以分为四类: ①减小阻力; ②提高升阻力; ③提高升阻比; ④利用马格努斯效应。 此外,空气动力学更是广泛的运用在了航空航天等高精尖科技中,可以说,我们的生活 应为空气动力学的发展获得了很大的改善


188金宝搏的网址

@SHENZHEN ENERGY Corporation All Rights Reserved.

188金宝搏的网址