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球道物理学

埃德蒙·马斯基在政治动荡中打出的一杆进洞,凸显了高尔夫的普及魅力及其深厚的科学根源。

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今年早些时候埃德蒙·马斯基去世时,人们谈论了很多事情,但他的“一杆进洞”却不在其中。

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那是在1968年末,马斯基打出了他的“一杆进洞”,当时这位前州长、在任参议员和未来的国务卿正在竞选副总统。任何活跃的政治家都明白,1968年末并不是竞选任何公职的最佳历史时刻。东南亚军事攻势正处于最激烈的阶段;美国城市正在经历骚乱(新闻界认为这个词比“着火”更礼貌);芝加哥大会最终看起来像是一场圣殿骑士团大会。然而,就在这期间的一个晚上,马斯基安排了一次电视露面,他被问到的第一件事就是他的一杆进洞。

即使作为一个政治上的门外汉,我记得当时也感到惊讶。我们在这里,如果不是在世界末日的前夕,那也肯定是在接近午餐的晚些时候,而通常爱刨根问底的媒体只想与民主党副总统候选人讨论他在高尔夫球场上的胜利。他们似乎在说,洪水过后,高尔夫!

然而,令人惊讶的是,没有人——民主党人、共和党人,甚至马斯基本人——反对。这次采访中的提问者想问关于一杆进洞的事情,听众也想听,似乎就是这样了。我当时开始怀疑,高尔夫这件事比我所知道的要复杂得多。

我猜对了。仅在美国,估计就有2400万人自称是常打高尔夫的人。1994年,有数据可查的最后一年,这个接近国家规模的群体在高尔夫球杆上花费了超过20亿美元,在果岭费和俱乐部会员费上花费了100亿美元,在其他杂项商品上花费了20多亿美元。而在这最后一个数字中,可能隐藏着最引人注目的统计数据:1994年,像大多数年份一样,美国高尔夫产业生产并运送了约8.5亿个高尔夫球——大约全国每个人(无论男女老少)3.2个。

或许比任何其他东西都更能说明问题的是,高尔夫球是高尔夫运动的中心图腾。但不仅仅是球场上的人把这个小小的球视为崇拜的对象;实验室里的人也是如此。在高尔夫球2.4立方英寸的内部和8.86平方英寸的表面上,科学的成分比几乎任何其他发明过的体育设备都要多。高尔夫球在橄榄球的大小、棒球的传说和保龄球的质量方面有所欠缺,但它可能在纯粹的科学复杂性上弥补了这一点。

要欣赏现代高尔夫球,不妨了解其历史根源——这些根源很深。高尔夫运动最早的出现可追溯到大约2000年前,当时罗马人发明了一种他们称之为“paganica”的球杆和球类运动。虽然罗马人凭借其强大的军事力量,在先进的球杆技术领域处于世界领先地位,但球的制造却另当别论,最早的“paganica”球不过是缝制的、羽毛填充的皮囊,后来恰如其分地被称为“featheries”(羽毛球)。由最好的古代材料制成,一个普通的羽毛球可以陪伴一个运动员一生,前提是他不要用它做任何蠢事,比如用球杆击打它。这往往会导致它散架,并需要古代玩家跑回古代专业商店再买一个。

尽管羽毛球有其缺点,但罗马人忙于诸如劫掠和掠夺之类的日常事务,没有时间发明替代品。直到19世纪,当更现代的意大利人构想出古塔胶球(gutta-percha,或称guttie球)时,高尔夫才取得了下一次飞跃。古塔胶球是一种由马来西亚皂荚树的干树胶制成的实心一体式高尔夫球。这是一种非常适合高尔夫球的材料,但有一个例外,那就是当温度过低时,皂荚树胶会变得有点脆——这是一种寒冷天气下的高尔夫球手通过艰难的方式学到的教训,当他在第十个洞击球时,发现他的古塔胶球飞向了第十一、十二和十三个洞。幸运的是,对于那些厌倦了从球场回家时肌肉酸痛少而弹片伤口多的球友来说,古塔胶球后来被天然橡胶制成的球取代,然后是合成橡胶,两者都导致了今天使用的现代球。虽然所有这些球在设计上都截然不同,但它们有一个共同点,那就是在某个时刻它们都感受到了球杆的冲击。那就是高尔夫运动开始转变为高尔夫科学的时刻。

“挥舞高尔夫球杆击球的动作看起来很优雅,”斯伯丁公司(Spalding Corporation)在马萨诸塞州斯普林菲尔德的物理学家兼高尔夫球设计师约瑟夫·斯蒂菲尔(Joseph Stiefel)说,“但在杆头与球接触的层面上,它也是一个相当复杂和暴力的过程。”

为了理解有多复杂和暴力,斯蒂菲尔建议首先想象一个完美的、柏拉图式的高尔夫挥杆,杆头速度例如每小时100英里。对于我们大多数人来说,这并不容易。我很少打高尔夫,但当我打的时候,我的球技中唯一有可能达到每小时100英里的,是我开往那个完美的、柏拉图式乡村俱乐部的完美的、柏拉图式庞蒂亚克汽车,我一直希望不会遇到一个完美的、柏拉图式警察。然而,对于经验丰富的球员来说,每小时100英里的挥杆并非罕见;对于球来说,这可能意味着非常不愉快的事情。

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当一个移动的七盎司杆头与一个静止的1.62盎司球碰撞时,首先发生的是球会暂时变扁,损失大约三分之一的正常直径。杆头则以牺牲速度而非尺寸来应对冲击,从每小时100英里降至81英里。由于能量既不能被创造也不能被毁灭,只能被改变(而且只能在购买后30天内),高尔夫球杆似乎损失的每小时19英里并没有真正损失,而只是以弹性能量的形式转移到了被压缩的球上。在这种动能的注入下,迄今为止被动的高尔夫球突然变得活跃起来。

斯蒂菲尔说,球只会保持压缩状态一段时间,然后就会恢复原状。当它恢复时,它会向后推杆头。这个微小的推力足以进一步减慢高尔夫球杆的速度——降至每小时约70英里——同时加快球的速度,使其以每小时约135英里的速度从球杆飞离。

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当然,并非所有高尔夫球都会展现出这样的弹性。任何特定球从球杆上弹跳的程度取决于其所谓的恢复系数。恢复系数,尽管其多音节的重量,不过是科学家们用来谈论弹性的一个术语。为什么他们不直接说“弹性”尚不清楚,但对于一个习惯于在指“黏稠”时说“高粘度”,在指“黏性”时说“高附着力”,在指“我的狗吃了我的作业”时说“论文待定”的人群来说,一些模糊不清是不可避免的。尽管如此,恢复系数是一个看似简单的概念。

“当一个球从一定高度落下时,”斯伯丁公司研究部高级总监迈克尔·沙利文(Michael Sullivan)说,“它所用的材料将很大程度上决定它弹跳的高度,而这个高度将是衡量其恢复系数的标准。例如,一个从100英寸高处落下的橡胶球可能会弹回到60英寸,这将使其粗略的恢复系数为0.600。一个台球可能只弹跳10英寸,其粗略系数为0.100。一块粘土,落地后会留在原地,其恢复系数为完美的零。(斯蒂菲尔解释说,要计算真实的恢复系数,这些粗略的数字必须进行开方或立方根或其他什么操作,但对于今天不打算进入高尔夫球制造领域的人来说,粗略的数字可能就可以了。)

科学家们一设计出恢复系数测试,就意识到高尔夫球一直不及格。羽毛球和古塔胶球的恢复系数较低。20世纪引入橡胶球后,粗略数字升至0.600以上——更好,但对许多高尔夫球手来说仍然有些沉重。直到1970年代,高尔夫球才真正达到了最先进的弹性,这要归功于一种名为聚丁二烯的物质。

聚丁二烯本质上是一种石油基聚合物,在20世纪60年代末,当被称为“超级球”(Superball)的超弹力球进入玩具市场之前,它几乎只是一种化学上的好奇物。超级球类似于壁球,被宣传为终极橡胶球,其弹跳能力名副其实,恢复系数达到了0.800以上。不出所料,那个时代的父母不愿给孩子们买这种高能量的玩具,而且理由充分。产品推出30年之后,全国各地的郊区社区仍然偶尔进行演习,因为1968年中期弹跳的超级球突然在天际线 menacingly 重现。甚至制造超级球的公司名称——Wham-O——也隐约暗示着混乱,尽管据报道正在考虑的其他名称(包括Oops、Smash和I Hope You Had Coverage for That)几乎肯定会更糟。

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不出所料,一个能在中央公园弹跳,最终落到芬威公园的球很快引起了高尔夫行业的注意。在斯伯丁,一位名叫鲍勃·莫利托(Bob Molitor)的化学家开始研究聚丁二烯,并立即发现,虽然由这种聚合物制成的球足够坚固,可以弹跳,但它有点太软,无法承受被球杆击打时的惩罚。为了使这种材料足够坚韧,适合球场使用,莫利托决定用一种意想不到的材料来强化它:锌。是什么让即使是最乐观的工业化学家也得出结论,任何运动设备的性能都可以通过周期表延展金属部分的一种元素来改善(天哪,诺兰·瑞安真的把锌涂在了那个球上!),这尚不清楚,但莫利托显然有所发现。

沙利文解释说,聚丁二烯,像所有聚合物一样,由排列成细长链的分子构成。莫利托设想的是将锌盐与聚丁二烯混合,并让它附着在链上的键合位点。这将导致分子发生交联——它们本质上会以梯形结构相互连接——这将有助于增强材料。

令莫利托高兴的是,这正是所发生的一切,导致了一种新型的强化聚丁二烯,即使是最快球杆最猛烈的打击也能承受。当所有关于真实恢复系数的计算都完成后,新高尔夫球以袋鼠式的0.890弹回。不久,斯伯丁将其大部分高尔夫球改用聚丁二烯,很快其他行业也效仿,正式将普通橡胶球送入了与古塔胶球和羽毛球长期共处的体育用品垃圾桶。

但仅仅因为高尔夫球的内部被重新发明,并不意味着外部一切都很好——特别是外部最显著的特征:凹槽。虽然高尔夫球凹槽的存在在体育用品界一直是不言而喻的,但其目的却并非如此。在我最近进行的一项完全不科学的调查中,针对我最近乘坐过的纽约市出租车司机这一样本群体,关于“高尔夫球凹槽的目的是什么?”这个问题的三个最常见答案是:

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1) 嗯,与抓握有关?

2) 嗯,与外观有关?

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3) Tnj d Vfy[fnfy?

不出所料,第三个答案最接近正确。当高尔夫球在空中飞行时,它会在身后留下一条半真空状的沟槽。由于大自然厌恶甚至部分真空,它会立即试图填补这些空间,对于高尔夫球来说,这意味着附近的空气和悬浮颗粒将被吸向低压尾流。另一个——更不寻常的——受部分真空影响的是高尔夫球本身,它被自己产生的尾流微妙地向后拉。在球的整个飞行过程中,这种持续的拉力就像一个刹车,使球比原本应该更快地落回地面。在20世纪初期,当高尔夫球表面仍然光滑时,设计师们发现,受这种现象影响最小的球似乎是最旧的那些,那些表面有最多凹坑和刻痕的球。不知何故,外部的缺陷似乎能够在球穿过空气时抓住并 удержи住空气,使其在整个飞行过程中被大气包裹着。

斯蒂菲尔说,一个被气流包裹着穿过大气的球,其尾流中不会留下真空轨迹,而只是一股气流,这有助于它保持在空中。当设计师们意识到这一点时,故意在球上制造缺陷——换句话说,就是凹坑——的想法就诞生了。

一般来说,一个球的凹坑越多,它的飞行效果就越好,前提是这些凹坑的直径约为0.15英寸,这是被证明有利于飞行的平均尺寸。将凹坑均匀地分布在高尔夫球表面,总凹坑数量约为336个。数十年来,336个凹坑的球一直占据主导地位,但近年来,制造商发现有效凹坑的大小可以相差百分之一或百分之二英寸,这意味着凹坑的数量也可以因球而异,每个球可相差50到100个。

沙利文说,近年来,市场上出现了越来越多带有400甚至500个凹坑的高尔夫球,并且新的凹坑球一直在测试中。

一些最引人注目的测试并非在沙利文和斯蒂菲尔所属的斯伯丁公司进行,而是在州对面的费尔黑文,那里竞争对手雅克思耐特公司生产着广受欢迎的Titleist球。雅克思耐特工厂的一个区域里,坐落着业内——乃至全世界——唯一专为高尔夫球设计的风洞。虽然风洞一直有助于设计客机和导弹等物品,但它们在消费产品方面的记录则有些参差不齐。毕竟,是风洞确立的空气动力学理想,至少部分导致了20世纪60年代鳍式家用汽车的出现,那时普通汽车的流线型程度和普通购物中心差不多。尽管有这段历史,但如果你想制造完美的高尔夫球,雅克思耐特风洞似乎正是你所需要的。

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“我们用来研究球的风洞比普通风洞小得多——大约40英尺长,配备一台75马力的风扇,”雅克思耐特的产品研究经理史蒂夫·青山说。一端是风扇,另一端是风扇吸入空气的开口,中心是一个36英寸×18英寸的测试室以及一个供工程师使用的观察室。为了测试我们的产品,我们会在测试室上方悬挂一个原型球,启动风扇,将球落下,然后观察发生什么。

从表面上看,这听起来很科学,但除非我在这里遗漏了牛顿的一个步骤,否则球会——正如物理学家喜欢说的——落下。事实上,这就是所发生的事情,但在它落下的那一刻,很多其他事情也在同时发生。

青山说,在球落下之前,我们会让它以高尔夫球杆击打时所达到的相同转速旋转。当它落下时,一系列高速摄像机对其进行拍摄。在未经训练的眼睛看来,球落到地面的路径并不显眼,但其轨迹实际上可以告诉你很多关于球的升力和阻力特性。当图像数字化并输入计算机后,计算机分析有助于我们相应地改变球的凹坑模式以改善这些特性。

高尔夫球的凹坑模式——或者它的聚合物核心,或者它的恢复系数——将继续改变多少尚不确定,但可以确定的是它们会改变。即使经过两千年,这种可变性也许是高尔夫球与几乎所有其他运动中使用的所有其他球最大的区别。除非网球锦标赛突然由脱毛剂制造商赞助,否则网球不可能变得不那么毛茸茸。除非保龄球联盟突然在乌贼社群中流行起来,否则保龄球不可能增加更多孔洞。除非奥林匹克教练在资格赛期间开始提供冰镇的雄激素杯,否则铅球不可能变得更重。然而,高尔夫球,以及通常意义上的高尔夫运动,都是进行中的作品。现在,如果他们能对格子裤做些什么就好了。

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