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越圓越光滑就越好? 足球真沒你想得這麼簡單!

2018-07-11 07:48:21 科技日報

  長知識

  4年一度的世界盃接近尾聲,今年的比賽頻頻爆冷:衛冕冠軍德國隊輸給了韓國隊、俄羅斯隊淘汰了西班牙隊、葡萄牙隊止步於16強、阿根廷隊被提前淘汰、巴西隊未能進入半決賽……梅西、C羅和內馬爾都“涼涼”了,而這一切只能說明,足球是圓的,球場上一切皆有可能。

  在一般人的意識裡,足球似乎是越圓、表面越光滑就越好踢,但事實上往屆世界盃用球曾因太圓、太過光滑而被吐槽這是為什麼?本屆世界盃的爆冷會不會也與所用足球“電視之星”有關呢?

  粗糙球比光滑球飛得更遠

  通常人們認為,球越圓、表面越光滑,在飛行過程中,球面與大氣的摩擦就越少,同等用力的情況下,理應飛得更遠。但是在浙江大學教授毛根海所著的《奇妙的流體運動科學》一書中卻寫道:同等條件下,布滿小酒窩的高爾夫球,在飛行中所受到的阻力只有光滑球的一半,飛行距離是光滑球的5倍。

  問題來了,為什麼粗糙球比光滑球飛得更遠?中國科學院大氣物理研究所博士李杉在接受科技日報記者採訪時表示,這可以用流體力學來解釋。

  大氣阻力分為摩擦阻力和壓差阻力,摩擦阻力我們都知道,但什麼叫壓差阻力呢?先來看一個例子:1968年阿波羅8號飛船返回地球大氣層時,由於速度極高,飛船前方與大氣劇烈衝撞,壓力極高,但飛船後方空間壓力很小,這是由于飛船高速下落時會排開空氣,後方空氣少了,壓力自然就小了,而後方壓力小會產生一種抽吸的力。像阿波羅8號這樣,物體在運動時,前後壓力差所帶來的阻力就叫做壓差阻力。

  那麼想減少壓差阻力,一個最有效的辦法是減少物體後方的低壓區面積。流體力學實驗發現,光滑的球與布滿小酒窩的球相比,後者產生的低壓區面積更少。球上的無數小酒窩,可以起到讓空氣緊貼球面的作用,這使得平滑的氣流能順著球體表面延伸到更靠後的位置時才產生分離。

  史上最圓足球曾廣受詬病

  在世界盃的曆史上,起初也曾有過一段時間,人們追求製造更圓更光滑的足球,但後來才發現過猶不及。

  傳統足球是由32塊五邊形或六邊形的皮塊組成,而這種蜂窩狀的足球自2006年德國世界盃開始有了突破性的變化。當年德國世界盃比賽用球“團隊之星”採用了全新的異形拼塊和無縫壓合技術,史無前例地將足球球面拼塊減少到14塊,這最大程度地消除了球體表面不規則的凹凸,令球體呈現完美圓弧;到2010年南非世界盃,“普天同慶”僅用8塊外表皮組成,並以熱黏合技術拼接完成,從而使其較以往更圓,當時堪稱曆屆最圓足球,但就是這個“最圓足球”比賽中卻因低進球率,而廣受詬病。

  《新物理學雜誌》發表的一篇論文指出,任何物體在空中運動時,一層相對靜止的薄空氣會環繞在它周圍。當球慢速飛行時,空氣從足球表面平滑地流過,形成互不干擾的空氣層,這種狀態被稱為層流,這時空氣會在球兩側直線距離最遠兩個點分開,造成更多空氣阻力,加劇球的減速。相反,當球高速運行時,空氣就不會分成層,而是亂作一團,在球的表面形成混亂湍流,這時風會沿著球的曲線“包”住球後部,球後方低壓區變小,壓差阻力變小,球在空中能更久飛行。而飛行的物體周圍的空氣由湍流變為層流時有一個臨界點,不同粗糙度的足球會有不同的臨界點。而空氣不同流動狀態間的轉化會使球受到更多空氣阻力,造成出乎意料的晃動和下墜。

  由於“普天同慶”很光滑,總縫線長度很短,約203厘米。經過空氣動力學試驗發現,其湍流和層流的臨界點在72—80公裡/小時,而這恰好是角球和自由球的速度範圍。

  於是,在空中飛行時詭異莫測的“普天同慶”讓擅長遠距離長傳轉移的隊伍吃了不少苦,善於地面短傳的西班牙隊則佔盡便宜;守門員必須預測球的走向來堵截它,而不時出現“超自然”運動狀態的“普天同慶”,讓守門員很難調整到理想的堵截路線……這些都是“普天同慶”飽受批評的原因。

  有了前車之鑒,2014年巴西世界盃用球“桑巴榮耀”縫線總長度就高達327厘米,球面縫線接合處的深度是“普天同慶”的3倍多。增加縫線長度以及縫線的深度,目的就是為了增加足球的粗糙度。這樣,足球就能飛得更遠,在高速射門時,產生晃動和下墜的情況也就越少。

  本屆世界盃踢得“菜”可別怪球

  那麼本屆世界盃用球“電視之星”究竟如何呢?

  “電視之星”由輕微的突起和6塊熱融合在一起的皮塊組成。其接縫總長度約430厘米,比“桑巴榮耀”的接縫長度還多了30%,即多了100厘米左右;但為避免太過粗糙,“電視之星”的縫線深度有所減少。

  日本筑波大學的兩位科學家進行的風洞試驗顯示,足球皮塊的數量對空氣阻力會產生影響,6塊皮的足球空氣阻力最低,32塊皮的足球其次。6塊皮和傳統的32塊皮的足球,可展現出相對穩定及有規律的飛行路線。

  一個物理學團隊研究了“電視之星”的空氣動力學屬性,發現它比“桑巴榮耀”更為先進,其周圍的空氣轉化為層流的臨界點為61.2公裡/小時,所以球速不會在角球、長傳和自由球的時候產生太大變化,讓球更為可控。但他們也注意到,“電視之星”在更高速飛行時會遇到更多阻力,預測在長傳球時會少飛行約8%或9%的距離。這意味著,在這屆世界盃上,即使球員大力把球踢出,有時球也不會飛那麼遠了。

  雖然球的飛行距離可能會稍短一些,但“電視之星”各方面的性能卻更加均衡。空氣動力學工程師表示,“電視之星”有更長的球縫、更有規律的球塊結構、突起和球縫形狀,所有這些元素使足球不管怎麼轉動都露出同樣長度的球縫,“我們認為它會有更穩定的飛行”。

  在經過了這麼多研究,吸取了之前的慘痛教訓後,在這屆世界盃上,如果再出現奇怪的傳球和糟糕的射門,可就不能再怪足球了。

編輯:穀永光
 
 

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