巴西世界杯的,足球真没你想得这么简单

2019-11-30 14:36栏目:奥门新萄京娱乐场
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(文/Simon Choppin)距离巴西世界杯的开幕只剩下一个月了。有很多人们关心的问题——场地能修好吗?机场够用吗?但最重要的、可能影响世界杯最终归属的问题是,这次的球会怎么飞?

越圆越光滑就越好? 足球真没你想得这么简单!

阿迪达斯为他们本届世界杯新球“布拉祖卡”(Brazuca,字面意思“巴西荣耀”)打的广告是“爱我或者失去我”。这个看起来像情歌的口号,其实是悄悄回应了围绕它和它前辈的巨大争议:空气动力学。

4年一度的世界杯接近尾声,今年的比赛频频爆冷:卫冕冠军德国队输给了韩国队、俄罗斯队淘汰了西班牙队、葡萄牙队止步于16强、阿根廷队被提前淘汰、巴西队未能进入半决赛……梅西、C罗和内马尔都“凉凉”了,而这一切只能说明,足球是圆的,球场上一切皆有可能。

图片 12014年世界杯官方指定用球“布拉祖卡/巴西荣耀”。图片来源:footyheadlines

在一般人的意识里,足球似乎是越圆、表面越光滑就越好踢,但事实上往届世界杯用球曾因太圆、太过光滑而被吐槽这是为什么?本届世界杯的爆冷会不会也与所用足球“电视之星”有关呢?

自从1970年以来,每一届世界杯用球都是阿迪制造,显然这是绝好的机会炫耀他们的最新科技进展。2006年德国世界杯上,他们的“团队之星”做出了一个重大改动。传统上足球是32块面板手工缝合而成。团队之星只有14块,而且是热胶粘合,其结果比过去的球都更圆更光滑。

粗糙球比光滑球飞得更远

但这一改变绝不仅仅是看起来不同。许多球员抱怨说球在飞行途中路线诡异。到了2010年南非世界杯,他们又推出了全新的设计“普天同庆”,它只有8块热粘合面料。不幸的是,它引发的批评比四年前更加强烈。许多教练和球员说普天同庆是“沙滩排球”,其飞行轨迹完全无法预料。

通常人们认为,球越圆、表面越光滑,在飞行过程中,球面与大气的摩擦就越少,同等用力的情况下,理应飞得更远。但是在浙江大学教授毛根海所著的《奇妙的流体运动科学》一书中却写道:同等条件下,布满小酒窝的高尔夫球,在飞行中所受到的阻力只有光滑球的一半,飞行距离是光滑球的5倍。

究竟哪里出了问题?同样的问题会降临到只有6块聚氨酯面料的布拉祖卡身上吗?

问题来了,为什么粗糙球比光滑球飞得更远?中国科学院大气物理研究所博士李杉在接受科技日报记者采访时表示,这可以用流体力学来解释。

图片 2布拉祖卡的面板只有6块,形状也十分奇特。图片来源:adidas

大气阻力分为摩擦阻力和压差阻力,摩擦阻力我们都知道,但什么叫压差阻力呢?先来看一个例子:1968年阿波罗8号飞船返回地球大气层时,由于速度极高,飞船前方与大气剧烈冲撞,压力极高,但飞船后方空间压力很小,这是由于飞船高速下落时会排开空气,后方空气少了,压力自然就小了,而后方压力小会产生一种抽吸的力。像阿波罗8号这样,物体在运动时,前后压力差所带来的阻力就叫做压差阻力。

过去两届世界杯里,许多批评者说新球轻得简直不自然,也因此很多人把它比作沙滩排球——但事实上团队之星和普天同庆和标准质量上限445g只差一点儿。(下限是420g。)

那么想减少压差阻力,一个最有效的办法是减少物体后方的低压区面积。流体力学实验发现,光滑的球与布满小酒窝的球相比,后者产生的低压区面积更少。球上的无数小酒窝,可以起到让空气紧贴球面的作用,这使得平滑的气流能顺着球体表面延伸到更靠后的位置时才产生分离。

真正的区别是它们的制造工艺——这和传统的缝合球有两个重大差别。首先,面板更少意味着缝合线更短。32面板标准足球的缝合线总长度为405cm,而团队之星只有345cm,普天同庆更是只有203cm。其次,热粘合球的缝合沟要浅得多。激光扫描显示,缝合球的沟深度为1.08mm,而普天同庆却只有0.48mm,连一半都不到。新式球的“沙排漂浮感”并不是因为它们更轻,而是因为它们更光滑。

史上最圆足球曾广受诟病

图片 3传统缝合球(上)和普天同庆(下)的缝合沟侧影。图片来源:Sheffield Hallam University

在世界杯的历史上,起初也曾有过一段时间,人们追求制造更圆更光滑的足球,但后来才发现过犹不及。

当空气流过光滑流线的物体表面时,它会紧贴表面直到离开物体,产生的拖曳力很小。但流过球体的空气就不是这样了。它会离开球体表面,导致球后面尾随一个低压区。低压区产生阻力,让球速度放慢。低速条件下,空气的流动是平滑的层流,很早就离开球体,产生大面积低压区和较大阻力。但当速度变快,空气变得更加湍流,和球体贴得更紧,低压区面积减小,反而降低了阻力。

传统足球是由32块五边形或六边形的皮块组成,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。当年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2010年南非世界杯,“普天同庆”仅用8块外表皮组成,并以热黏合技术拼接完成,从而使其较以往更圆,当时堪称历届最圆足球,但就是这个“最圆足球”比赛中却因低进球率,而广受诟病。

图片 4低速(左)和高速(右)下足球的空气流动状况。差异非常明显。图片来源:Sheffield Hallam University

《新物理学杂志》发表的一篇论文指出,任何物体在空中运动时,一层相对静止的薄空气会环绕在它周围。当球慢速飞行时,空气从足球表面平滑地流过,形成互不干扰的空气层,这种状态被称为层流,这时空气会在球两侧直线距离最远两个点分开,造成更多空气阻力,加剧球的减速。相反,当球高速运行时,空气就不会分成层,而是乱作一团,在球的表面形成混乱湍流,这时风会沿着球的曲线“包”住球后部,球后方低压区变小,压差阻力变小,球在空中能更久飞行。而飞行的物体周围的空气由湍流变为层流时有一个临界点,不同粗糙度的足球会有不同的临界点。而空气不同流动状态间的转化会使球受到更多空气阻力,造成出乎意料的晃动和下坠。

这时缝合沟就起到了关键作用:它们扰乱了空气,帮助它在低速时也能进入“低阻力”状态。一个完美光滑的足球根本没法踢;强大的阻力会剧烈改变足球的轨迹。此外,在一定速度下,足球表面不同区域会分别遭遇层流和湍流。这一不对称性会导致不平衡的阻力,使得球向一个方向偏转。虽然板球和棒球运动员可以利用这个效应挥棒,但在足球里这个效应发生时通常速度太低,派不上用处。

由于“普天同庆”很光滑,总缝线长度很短,约203厘米。经过空气动力学试验发现,其湍流和层流的临界点在72—80公里/小时,而这恰好是角球和任意球的速度范围。

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