前言
您一定見過足球場上登峰造極的香蕉球，或乒乓球臺上嘆
為觀止的弧圈球，抑或令人驚嘆不已的空竹表演，甚至還能上場一
顯身手。但您知道足球為什么能突然改變運動方向并轉(zhuǎn)彎、乒乓球
為什么能飛出變幻莫測的軌跡、空竹為什么能如同優(yōu)美的音符一樣
靈活旋轉(zhuǎn)和翻滾嗎?其實，它們都來源于
一個共同的物理效應(yīng)馬
格努斯效應(yīng)。
馬格努斯效應(yīng)是流體中的一種非線性的復(fù)雜力學(xué)現(xiàn)象，是運動
的旋轉(zhuǎn)圓柱體或圓球體在不可壓縮的黏滯流體中受到側(cè)向力的一
種表現(xiàn)。而對于一名航天設(shè)計人員，提到馬格努斯效應(yīng)，首先想到
的是彈頭旋轉(zhuǎn)對彈道和氣動帶來的影響。然而這種旋轉(zhuǎn)常常被當(dāng)作
需要抑制的偏差和干擾，而不是一種可以加以利用的特性。
契機(jī)來自一個短視頻。在視頻中，籃球在一個一百多米高的
水壩頂端以旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)自由下落時，并沒有垂直降落在拋球點的正
下方，其運動軌跡而是明顯地發(fā)生了橫向飄移，約幾十米遠(yuǎn)。這個視
頻深深地觸動了我:能否把馬格努斯效應(yīng)與飛行器加以結(jié)合，讓它
不再是一種干擾，而成為一種被利用的特性呢?
之后的幾年，我開始關(guān)注馬格努斯效應(yīng)方面的相關(guān)研究。鑒于
業(yè)界并沒有專門介紹馬格努斯效應(yīng)的書籍，在研究過程中，我漸漸
產(chǎn)生了編寫一本該方面專著的想法。于是，我便開始對馬格努斯
效應(yīng)進(jìn)行較為系統(tǒng)的梳理。首先是調(diào)研馬格努斯效應(yīng)發(fā)展歷程，發(fā)現(xiàn)最
早的飛機(jī)概念其實并不是目前采用的固定翼，而是采用類似馬
格努斯效應(yīng)的轉(zhuǎn)子翼。隨后，我聚焦于產(chǎn)生馬格努斯效應(yīng)的機(jī)理，
研究不同形狀的物體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的馬格努斯效應(yīng)及氣動特性，對國內(nèi)
外研究先驅(qū)們的成果進(jìn)行一個較為系統(tǒng)的總結(jié)。在完成氣動特性整
理后，開展了一些生活中常見旋轉(zhuǎn)體運動的建模和軌跡仿真。最后，
考慮到馬格努斯效應(yīng)在風(fēng)力發(fā)電、航海、航空航天領(lǐng)域都有一些應(yīng)
用或應(yīng)用前景，便進(jìn)一步將其進(jìn)行了整理，最終形成本書。
在編寫本書的過程中，除作者外，李永遠(yuǎn)、孫光、宋盛菊、劉焱飛等人也參與了本書的資料收集、討論、文字整理和仿真分析工作。
其中，李永遠(yuǎn)參與了第1章、第2章、第6章內(nèi)容的編寫，孫光參與了第2章、第3章內(nèi)容的編寫，劉焱飛參與了第4章內(nèi)容的編寫，宋盛菊參與了第5章內(nèi)容的編寫。
馬格努斯效應(yīng)是一個非常重要的物理學(xué)和工程學(xué)現(xiàn)象，深入研
究其原理對于導(dǎo)彈的設(shè)計、氣動性能分析以及制導(dǎo)控制都有積極意
義。希望本書能夠為奮戰(zhàn)在一線的工程師、研究人員和研究生提供一些
參考，對馬格努斯效應(yīng)在各領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展起到一定的推動和指導(dǎo)作用
。
由于本人水平有限，書中的缺點和不足之處在所難免，歡迎批
評指正。
請將寶貴意見發(fā)送至作者郵箱zhangxh0215@126.com,以
期再版時加以改進(jìn)，在此提前向大家表示感謝。
張旭輝
目錄
第1章緒論1
1.1馬格努斯效應(yīng)概念的發(fā)展2
1.2生活中常見的馬格努斯效應(yīng)6
1.2.1馬格努斯滑翔機(jī)科學(xué)實驗7
1.2.2休閑體育項目抖空竹8
1.2.3球類運動中的馬格努斯效應(yīng)8
1.2.4基于馬格努斯效應(yīng)的航模11
1.3本書的編寫特點和內(nèi)容安排11
參考文獻(xiàn)14
第2章典型馬格努斯旋轉(zhuǎn)體的氣動特性16
2.1旋轉(zhuǎn)圓球的氣動特性16
2.1.1旋轉(zhuǎn)圓球在自由分子流域的氣動特性17
2.1.2旋轉(zhuǎn)圓球在連續(xù)流域的氣動特性18
2.1.3旋轉(zhuǎn)圓球在稀薄流中的氣動特性20
2.1.4旋轉(zhuǎn)圓球的負(fù)馬格努斯效應(yīng)23
2.2旋轉(zhuǎn)圓柱體的氣動特性28
2.2.1旋轉(zhuǎn)圓柱體在稀薄氣體流動中的氣動特性29
2.2.2旋轉(zhuǎn)圓柱體在湍流中的流動特性34
2.2.3旋轉(zhuǎn)波浪形圓柱體非定常流動特性42
2.3旋轉(zhuǎn)旋成體的氣動特性48
2.3.1旋轉(zhuǎn)旋成體馬格努斯效應(yīng)實驗研究 49
2.3.2旋轉(zhuǎn)旋成體馬格努斯效應(yīng)理論研究50
2.3.3旋轉(zhuǎn)旋成體馬格努斯效應(yīng)數(shù)值研究52
2.4小結(jié)55
參考文獻(xiàn)56
第3章典型馬格努斯效應(yīng)的運動模型
與軌跡分析65
3.1馬格努斯滑翔機(jī)的運動模型與軌跡分析65
3.1.1馬格努斯滑翔機(jī)的運動模型65
3.1.2馬格努斯滑翔機(jī)的軌跡分析67
3.2香蕉球的運動模型與軌跡分析72
3.2.1香蕉球的運動模型72
3.2.2香蕉球的軌跡分析73
3.3乒乓球的運動模型與軌跡分析76
3.3.1乒乓球的運動模型76
3.3.2乒乓球的軌跡分析79
3.4空竹的運動模型與軌跡分析86
3.4.1空竹的運動模型86
3.4.2空竹的軌跡分析88
3.5小結(jié)91
參考文獻(xiàn)92
第4章馬格努斯效應(yīng)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用與展望93
4.1馬格努斯效應(yīng)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用研究93
4.1.1應(yīng)用背景93
4.1.2理論與實驗研究95
4.1.3工程實踐探索97
4.1.4主要關(guān)鍵技術(shù)100
4.2馬格努斯效應(yīng)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用案例105
4.2.1空氣轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（MARSTM）105
4.2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)EShip 1108
4.2.3颶風(fēng)中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)VAWT109
4.2.4渦輪風(fēng)車發(fā)電機(jī)112
4.3馬格努斯效應(yīng)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用展望113
參考文獻(xiàn)118
第5章馬格努斯效應(yīng)在航海領(lǐng)域的應(yīng)用與展望121
5.1馬格努斯效應(yīng)在航海領(lǐng)域的應(yīng)用研究121
5.1.1應(yīng)用背景121
5.1.2理論與實驗研究122
5.1.3工程實踐探索129
5.2馬格努斯效應(yīng)在航海領(lǐng)域的應(yīng)用案例145
5.2.1轉(zhuǎn)筒風(fēng)帆146
5.2.2轉(zhuǎn)柱舵149
5.2.3減搖裝置149
5.3馬格努斯效應(yīng)在航海領(lǐng)域的應(yīng)用展望151
參考文獻(xiàn)152
第6章馬格努斯效應(yīng)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與展望155
6.1馬格努斯效應(yīng)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究155
6.1.1應(yīng)用背景155
6.1.2理論與實驗研究156
6.1.3工程實踐探索171
6.2馬格努斯效應(yīng)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用案例181
6.2.1低空航空器181
6.2.2飛艇182
6.2.3旋轉(zhuǎn)炮彈184
6.3馬格努斯效應(yīng)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用展望186
參考文獻(xiàn)190
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