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      足球不是越圆性能就越出色

      (神秘的地球报道)据中国科学报(胡珉琦):与2010年南非世界杯比赛用球“普天同庆”的低进球率相比,巴西世界杯自小组赛以来屡屡上演进球大战,这其中既有运动员主观发挥的因素,恐怕也与此次比赛用球“桑巴荣耀”的出色表现息息相关。

      足球越来越圆

      作为一项特定运动的比赛用球,其形状和设计的独特性决定了它很少会随着时间而改变。众所周知,传统足球由32块五边形和六边形的皮块组成,而这种蜂窝状的足球自2006年德国世界杯开始有了突破性的变化。

      2006年的德国世界杯比赛用球“团队之星”采用了全新的异形拼块和无缝压合技术,史无前例地将足球球面拼块减少到14块。这就使得足球外表面的拼接点从原来的60个变为24个,而拼接线的总长度也从40.05厘米降到33.93厘米。这种改进的益处是,最大程度地消除了球体表面不规则的凹凸,令球体呈现完美圆弧。

      到了2010年南非世界杯,“普天同庆”仅用8块外表皮组成。阿迪达斯首次采用球形制模的方法使每一块表皮都实现三维立体结构,然后以热黏合技术拼接完成,从而使新球较以往更圆,当时堪称历届最圆足球。

      不过,“普天同庆”很快又得到了升级,巴西世界杯“桑巴荣耀”奇迹般地只用了6块螺旋桨形状皮面,由热缝合技术拼接而成,它自然也成为了目前为止最圆的足球。

      可足球是不是越圆性能就越出色,答案是否定的!

      皮块方向干扰飞行路径

      此前,很少有研究探索过不同的皮块组成对足球空气动力学的影响。而这一次,来自日本筑波大学的两位科学家通过风洞试验,研究了足球皮块的形状、数量和方向对其实际飞行路径的影响。

      他们的风洞测试显示,足球皮块的方向对空气阻力会产生影响,6块皮的足球空气阻力最低,32块皮的足球其次。当测试机器人踢足球时,足球皮块的方向对于足球的飞行路线有着显著的影响,即皮块的方向将明显干扰到球的飞行。6块皮和传统的32块皮的足球,展现出了相对稳定及有规律的飞行路线。“普天同庆”尽管很圆,但却表现最差。

      这就不难让人联想到,在2010年世界杯上,“普天同庆”时不时表现出的一些“超自然”运动状态。这款足球曾是守门员的噩梦,当它在没有或者只有很少的旋转时,会突然坠落形成“电梯球”,气流在球的缝线处以一种不寻常且不稳定的方式流动,球的轨迹变得无法预测。

      表面粗糙度影响稳定性

      无独有偶,近来,美国航空航天局(NASA)的工程师们也测试起了世界杯比赛用球。

      “桑巴荣耀”具有更少的面,但这些类似手指形状的面之间的接缝长度却增加了。相比“普天同庆”,这些接缝的深度也变深了。球面上还布满了凸起,这些因素究竟如何影响球的空气动力学特性。

      在NASA艾姆斯研究中心一个长约43厘米的水道中,研究者利用荧光染色的液体来观察球体周围的流体形态。他们在黑光灯下发现,传统足球产生最大的电梯球效应时速度约为48公里每小时。这一速度明显低于世界杯参赛选手通常的踢球速度——约80~89公里每小时。而更加光滑的“普天同庆”足球在约80公里每小时的速度时能产生最大的电梯球效应,这也就难怪2010年世界杯时,球员们会经常踢出电梯球。

      艾姆斯研究中心实验航空物理科主任拉比·梅塔博士认为,正是由于“桑巴荣耀”增加了球面的粗糙度,因此产生最大的电梯球效应临界速度降到了48公里每小时。这也意味着,以常规射门速度踢出的球,其运行轨迹将更容易判断出来。

      该测试同样说明了,“桑巴荣耀”在飞行中来得更稳定,踢球时对其的控制更像是传统的32面足球。

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      答:“在流水或气流里,如果流速小,对旁侧的压力就大,如果流速大,对旁侧的压力就小”,这在流体力学中被称为伯努利原理。足球队员用脚踢球时,只踢球的一小部分,把球“搓”起来,球受力,就发生旋转。空气在球的两侧也就一边流速大,一边流速小,对旁侧的压力就一边小,一边大。如此一来,球就受到了一个横向的压力差,这个压力差,使球向旁侧偏离,而球又是不断向前飞行着,在这种情况下,足球同时参与了两个直线运动,便沿一条弯曲的弧线运行了。

      向前运动的球在以顺时针方向旋转时,左侧由于迎着气流运动,受到的空气摩擦力会更大。这就使得足球左侧受到的压力比右侧更大,足球在压力平衡的作用下便会朝右偏。如果足球以逆时针方向旋转,则相反。

      “香蕉球”又分内弯香蕉球和外弯香蕉球。踢“香蕉球”时运动员并不是踢足球的中心。以外弯香蕉球为例,球员要站在皮球近侧,提腿时锁紧脚跟,脚尖向下。在击球过程中运动员顺势扭身摆腿借助扭腰的动作增加脚与皮球之间的摩擦力,利用脚外侧抽击皮球偏内1/3处把球“搓”起来。球受搓后,根据伯努利原理,球两侧的空气产生了一个横向的压力差,从而使球发生侧向偏离,漂亮的弧线就出现了。

      同样是“香蕉球”,质量如何,除去风向、风速和气压等外界因素的影响,就球员本身而言,球与落点之间的距离、出球的作用力、脚与球的接触时间、出球作用力方向和球心连线的夹角等都会对“香蕉球”飞行时的横向作用力产生影响。

      为此,一些运动鞋供应商甚至就球员踢球时的脚和足球的应力及变形情况进行建模和精确计算,研究控制球飞行的物理参数,设计出既能避免脚部受伤又能踢出大弧度“香蕉球”的足球鞋。





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