潜艇、火箭和橄榄球有什么共同之处?

为什么扁长球体是成功的形状

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NBC Learn 的《NFL 橄榄球的科学》一集关于几何形状探讨了球体、椭圆和扁长球体之间的差异,以及它们对比赛的影响。例如,橄榄球的独特形状有助于球本身的动态特性,它可以以紧密的螺旋状投掷很远的距离,或者在比赛场地上不规则地弹跳。


棒球、篮球和许多其他运动球都依赖于球形的、均匀的设计,这使得它们易于投掷、抛掷和击打。然而,橄榄球的二维起源是椭圆而不是圆形,这赋予了橄榄球扁长球体形状,其极轴大于赤道直径。由于其细长的特性,橄榄球在正确投掷时会旋转。旋转产生陀螺效应,稳定球在空中飞行。

这种形状使得橄榄球比球形球更难投掷。但是,作为扁长球体,橄榄球在穿过空气时受到的阻力较小,这就解释了为什么你可以把橄榄球抛得比大约相同尺寸和重量的篮球或足球等球形球更远。当橄榄球抛掷时有点晃动,而不是紧密的螺旋式旋转时,它不会飞得那么远,因为它在飞行方向上呈现出更多的表面积,从而导致更大程度的空气摩擦,也称为阻力。

事实证明,改进球的原始设计并不容易。佛罗里达大学机械与航空航天工程系副教授托尼·施密茨表示,最佳橄榄球形状将同时考虑减小阻力和轨迹稳定。“现在,我们有鹅卵石表面和螺旋运动来减少阻力,”他说。任何“增加这些效果的设计都可以提高‘飞行’性能,但要做出重大改变,祝你好运。”玩具公司孩之宝在其 Nerf 产品线中确实做了一些有趣的改动——例如,其Nerf Vortex 橄榄球有一个尾翼,这提高了它在抛掷时的飞行距离。当然,这样一个球在踢的时候会如何飞行完全是另一回事。

飞机、潜艇和火箭在基本设计原则上与橄榄球相同,它们的形状都是细长的,目的是减少阻力。然而,这些车辆是自驱动的,并且必须能够在飞行途中改变方向,因此它们不能使用旋转陀螺效应,而这种陀螺效应使完美的螺旋式投掷成为一种美妙的事物。

就已识别的飞行物而言,然而,扁长球体无法匹敌一类几何形状的距离:飞盘(Frisbee)或环(Aerobie)不仅具有减少阻力的纤薄轮廓和增加稳定性的旋转,而且还产生升力,使它们能够飞行很远。在橄榄球场上,一个投掷得很好的 Aerobie 可以轻松地从端区飞到端区。

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