有趣的空气动力学问题或现象
本期内容节选自吴子牛教授《运动的旋律与变化的世界》一书。这是一本集知识性、趣味性和科学性为一体的综合科普读物，文章用徘徊于通俗描述和专业逻辑间的折中语言，展现了科学的真实、独立、智慧、多变和迷人。本期节选内容都与“空气动力学”有着千丝万缕的联系，请跟着吴老师的指引了解不一样的“空气动力学”吧。
绚丽多彩与刚柔并济的空气
抬头看天空，除了云彩和星星以及偶尔出现的流星与幽闪，似乎什么都没有。
其实，地球周围充满了空气。空气有时也安静，地球引力不让它们飘往太空，阳光照射让它们拥有温度与气压，海洋蒸发让它们拥有水分。温度、气压和水分既让空气有生气，也让空气有情绪：风雨雷电，冷暖无常。空气的运动既可以让天空彩云朵朵，让红旗飘飘，也可以让昆虫、飞鸟和人造飞机空中飞翔。
我们生活在空气之中。空气中有小得看不见、多得数不清的空气分子。空气非常爱美，只有顺从它的形状和姿态，它才可以给你让道，甚至把你举起来，可以让你穿梭自如、风驰电掣。蒲
公英了解空气的秉性，所以它举起华丽的冠毛伞，于是南风就成了它的游乐场；大雨滴在空气中穿梭，也会知趣地变成伞盖状，空气帮它减速徐徐下落，从而不会砸伤小蜜蜂遭遇官司；小鸟和昆虫选择了精美的翅膀，空气气流帮助它们自由飞翔；飞机模仿了鸟，插上一对形体优美的机翼，空气便友好地在机翼上表演上吸下举的绝技，让飞机轻巧地在空中远航；空气让急速降落的流星带着一团火球、让旋转的足球走弧线、让美丽的雪花轻轻飘落。
于是，高速列车、现代汽车和飞机乖乖披上了流线型外衣。
然而，如果你不修边幅，长得像随便捡来的小石头一样，你将遭遇重重险阻。
不修边幅的飞石
谁都知道，抛向空中的石头，在重力的作用下会加速下落。可是，除了重力，别忽略和小看那些看不见的空气分子。空气可不是那么好对付的，分子很小，可是它们多啊。它会挡在前面，得推开它；它又在后面尾随，又得拖着它；它试图阻止小石头飞得更快、飞得更远。
因为不修边幅的小石头还不了解空气爱美的属性，所以遇到的阻力会更大。
以一块各个方向尺寸都差不多的小石头为例。
小石头在空气中飞行，迎风面撞击空气分子，空气同样给了石头迎风面的力，即石头的迎风面有了正压。迎风面的反面是背风面，背风面的空气被石头拖着走，被拖动的空气也就有了一个拉扯石头的力，即石头的背风面出现负压。背风面的负压也可以这样理解，背风面的空气显然是被石头吸着走，只有负压才能被吸着走。你用一根管子对着水吸气，水就流进嘴里，表明吸气时，气压低了，水就顺着低气压进嘴里了。
当然，如果小石头沿着飞行方向比较细长，那么被推动的空气可以从侧面绕道背风面去帮忙。这里不考虑这种纤细的形状。从侧面绕到后面的空气的太少，不起太大作用。背风面起作用的主要是被拖动的空气。背风面的空气又没长手去拉着石头，怎么会被拖着走？原来，如果不被拖着走，石头背风面就会试图被留下真空。所谓真空，就是真的很空，空的几乎什么都没有。由于空气分子有活蹦乱跳的热运动，会去填满任何空隙，因此不会留下真空。
石头在空中飞行时，迎风面的正压和背风面的负压，均指向飞行反方向，合起来就是一种阻力，成为压阻；侧面与空气分子也会发生摩擦，因此产生了摩阻。这种压阻和摩阻一起，形成总的阻力，指向飞行方向相反的方向，会将飞行的石头速度降下来。
小石头在空气中飞行
石头的飞行速度越大，与空气相互撞击的力度就越大，因此阻力越大。这样形成的阻力，与飞行速度的平方近似成正比，也当然与空气的密度以及迎风面的面积成正比，这是因为空气越稠密以及迎风面积越大，参与作用的空气就越多。
比例系数也称为风阻系数或阻力系数。
阻力系数与形状、姿态和速度都有点关系。物体越美丽光顺，越娇小纤细，阻力系数越小。凸头凸脑的小石头，阻力系数接近1。扁平石头阻力系数就小多了。
科学本身就是一种艺术，不知是否可以说，阻力系数就是美丽指数呢？
远走高飞的高尔夫球
前文提到，具有流线型的物体和动物利用美丽的外观取悦空气，从而顺畅地在空气中穿梭。流线型外形细长或扁平、表面形状光顺过渡、带有一定的弧度且表面没有坑坑洼洼。但是一定要注意，如果没有体型，仅有亮洁的皮肤也不一定行。
高尔夫球就不是流线型，所以它的外表越光滑空气就越添堵，于是它干脆让皮肤粗糙，把气流磕得乱蹿，这种乱蹿的气流反而帮忙消灭添堵的拐弯涡，使高尔夫球飞得更高更远。
这可能预示某种道理，顺着来如果不行，那就反着来试试。
空气动力汽车
当然，咱们不能用吓唬人的思维讲道理。既然高尔夫球用粗糙的空气死磕空气并且取得了胜利，那么其中一定有理性的原因。
正如苏格拉底的因果定律所说，每一个结果都有特定的原因或者多个原因。
重量不能大于45.93克、直径不能小于42.687毫米的高尔夫球，有酒窝型凹坑时，可以飞得更远、更稳。这是偶尔发现的奥秘，事先并不知道为什么。
一百多年前，英国工程师韦林•泰勒意外的发现：用过的高尔夫球的表面会出现不规则的破损，且这些旧的高尔夫球比表面光顺的新球飞得更远，基于此，他设计出了飞得更远的带酒窝凹槽的高尔夫球。带了酒窝，就更偏离流线型了，摩擦阻力应该更大，为何反而飞得更远了呢？
原来，对于非流线型物体，从迎风面避让绕到背风面的气流，需要拐的弯就太大或者太急。在拐弯太急的地方会在某点甩出去，这种现象在专业上称为气流分离。分离使从迎风面绕到背风面的空气就少了，因此主要是背风面下游的空气被物体拖着走，需要的力就大，因此阻
力更大了。分离出去的气流与背风面被拖进来的气流方向相反，因此卷曲成旋涡，成为拐弯涡（专业上叫分离涡）。