世界杯踢得“菜”別怪球

原標(biāo)題：越圓越光滑就越好？ 足球真沒你想得這么簡單！

在一般人的意識里，足球似乎越圓、表面越光滑就越好踢，但事實(shí)上往屆世界杯用球曾因太圓、太過光滑而被吐槽。

越圓越光滑就越好？ 足球真沒你想得這么簡單！

4年一度的世界杯接近尾聲，今年的比賽頻頻爆冷：衛(wèi)冕冠軍德國隊(duì)輸給了韓國隊(duì)、俄羅斯隊(duì)淘汰了西班牙隊(duì)、葡萄牙隊(duì)止步于16強(qiáng)、阿根廷隊(duì)被提前淘汰、巴西隊(duì)未能進(jìn)入半決賽……梅西、C羅和內(nèi)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。

在一般人的意識里，足球似乎是越圓、表面越光滑就越好踢，但事實(shí)上往屆世界杯用球曾因太圓、太過光滑而被吐槽這是為什么？本屆世界杯的爆冷會不會也與所用足球“電視之星”有關(guān)呢？

粗糙球比光滑球飛得更遠(yuǎn)

通常人們認(rèn)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(yīng)飛得更遠(yuǎn)。但是在浙江大學(xué)教授毛根海所著的《奇妙的流體運(yùn)動科學(xué)》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，為什么粗糙球比光滑球飛得更遠(yuǎn)？中國科學(xué)院大氣物理研究所博士李杉在接受科技日報記者采訪時表示，這可以用流體力學(xué)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，但什么叫壓差阻力呢？先來看一個例子：1968年阿波羅8號飛船返回地球大氣層時，由于速度極高，飛船前方與大氣劇烈沖撞，壓力極高，但飛船后方空間壓力很小，這是由于飛船高速下落時會排開空氣，后方空氣少了，壓力自然就小了，而后方壓力小會產(chǎn)生一種抽吸的力。像阿波羅8號這樣，物體在運(yùn)動時，前后壓力差所帶來的阻力就叫做壓差阻力。

那么想減少壓差阻力，一個最有效的辦法是減少物體后方的低壓區(qū)面積。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光滑的球與布滿小酒窩的球相比，后者產(chǎn)生的低壓區(qū)面積更少。球上的無數(shù)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后的位置時才產(chǎn)生分離。

史上最圓足球曾廣受詬病

在世界杯的歷史上，起初也曾有過一段時間，人們追求制造更圓更光滑的足球，但后來才發(fā)現(xiàn)過猶不及。

傳統(tǒng)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年德國世界杯開始有了突破性的變化。當(dāng)年德國世界杯比賽用球“團(tuán)隊(duì)之星”采用了全新的異形拼塊和無縫壓合技術(shù)，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(guī)則的凹凸，令球體呈現(xiàn)完美圓??；到2010年南非世界杯，“普天同慶”僅用8塊外表皮組成，并以熱黏合技術(shù)拼接完成，從而使其較以往更圓，當(dāng)時堪稱歷屆最圓足球，但就是這個“最圓足球”比賽中卻因低進(jìn)球率，而廣受詬病。

《新物理學(xué)雜志》發(fā)表的一篇論文指出，任何物體在空中運(yùn)動時，一層相對靜止的薄空氣會環(huán)繞在它周圍。當(dāng)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(tài)被稱為層流，這時空氣會在球兩側(cè)直線距離最遠(yuǎn)兩個點(diǎn)分開，造成更多空氣阻力，加劇球的減速。相反，當(dāng)球高速運(yùn)行時，空氣就不會分成層，而是亂作一團(tuán)，在球的表面形成混亂湍流，這時風(fēng)會沿著球的曲線“包”住球后部，球后方低壓區(qū)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?yōu)閷恿鲿r有一個臨界點(diǎn)，不同粗糙度的足球會有不同的臨界點(diǎn)。而空氣不同流動狀態(tài)間的轉(zhuǎn)化會使球受到更多空氣阻力，造成出乎意料的晃動和下墜。

由于“普天同慶”很光滑，總縫線長度很短，約203厘米。經(jīng)過空氣動力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其湍流和層流的臨界點(diǎn)在72—80公里/小時，而這恰好是角球和任意球的速度范圍。

于是，在空中飛行時詭異莫測的“普天同慶”讓擅長遠(yuǎn)距離長傳轉(zhuǎn)移的隊(duì)伍吃了不少苦，善于地面短傳的西班牙隊(duì)則占盡便宜；守門員必須預(yù)測球的走向來堵截它，而不時出現(xiàn)“超自然”運(yùn)動狀態(tài)的“普天同慶”，讓守門員很難調(diào)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年巴西世界杯用球“桑巴榮耀”縫線總長度就高達(dá)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(yuǎn)，在高速射門時，產(chǎn)生晃動和下墜的情況也就越少。

本屆世界杯踢得“菜”可別怪球

那么本屆世界杯用球“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(xué)的兩位科學(xué)家進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)顯示，足球皮塊的數(shù)量對空氣阻力會產(chǎn)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(tǒng)的32塊皮的足球，可展現(xiàn)出相對穩(wěn)定及有規(guī)律的飛行路線。

一個物理學(xué)團(tuán)隊(duì)研究了“電視之星”的空氣動力學(xué)屬性，發(fā)現(xiàn)它比“桑巴榮耀”更為先進(jìn)，其周圍的空氣轉(zhuǎn)化為層流的臨界點(diǎn)為61.2公里/小時，所以球速不會在角球、長傳和任意球的時候產(chǎn)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(yù)測在長傳球時會少飛行約8%或9%的距離。這意味著，在這屆世界杯上，即使球員大力把球踢出，有時球也不會飛那么遠(yuǎn)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(xué)工程師表示，“電視之星”有更長的球縫、更有規(guī)律的球塊結(jié)構(gòu)、突起和球縫形狀，所有這些元素使足球不管怎么轉(zhuǎn)動都露出同樣長度的球縫，“我們認(rèn)為它會有更穩(wěn)定的飛行”。

在經(jīng)過了這么多研究，吸取了之前的慘痛教訓(xùn)后，在這屆世界杯上，如果再出現(xiàn)奇怪的傳球和糟糕的射門，可就不能再怪足球了。