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世界杯,别小看了球,可能它会影响比赛走向!

(李诗颖/译,EON/校)在大家看世界杯的时候,可能很少会注意到足球本身。“不都是圆乎乎的一个球吗?”

但实际上,踢不好可能真的要怪球不行。2010年世界杯西班牙夺冠,真的很可能和球有关——南非世界杯的“普天同庆”(Jabulani)在空中飞行时的诡异莫测,让靠远距离长传转移的队伍吃了不少苦,而善于地面短传的西班牙则占尽便宜。(至今还记得被西班牙的无限倒脚和哈维的短距离直塞支配的恐惧!)

自1970年起阿迪达斯设计的世界杯足球。图片来源:阿迪达斯

每一届世界杯,阿迪达斯都会推出新设计的足球,而球员们都会对它多少不满。有的球可能太轻且很容易踢飞,例如2002年的“飞火流星”(Fevernova);有的可能让守门员们更难预测它的轨迹,如2006年的“团队之星”(Teamgist);足球微小的空气动力学变化,可以影响球队的表现。

这些,都和球的缝合形状有关系。而研究空气动力学的科学家,对此非常感兴趣。

今年用的球是完美的足球吗?

可能大家都注意到了,今年的球表面有着黑白灰的马赛克纹路,这是一款向黑白电视时代复古致敬设计的球(黑白相间的球在黑白电视上更容易被发现)。不仅是印花向那个年代致敬,球表面的科学也是。

理想的足球是表面有突起的完美球体,其表面的精妙纹理足以轻微搅动周围的气流。虽然听上去违反直觉,但足球表面的突起和球缝反而能够使其受到的空气阻力更小,帮助球在空中更加稳定地飞行。而传统的足球是五边形和六边形缝合起来的,缝合的球缝恰好也能起到这样的作用。

电视之星18。图片来源:阿迪达斯

俄罗斯世界杯的“电视之星18”(Telstar 18)轻微的突起和六块热融合在一起的皮块,可以防止非旋转球飘忽不定的特性。和上届的用球相比它不会沿着球场飞太远,在空中的运动也稍有不同,但空气动力学测试表明,总体来讲它在空中更加稳定。

对新球的批评也不是没有。到目前为止,“电视之星18”受到了一些守门员的批评,他们都是从去年11月开始使用新球的,但有些守门员对球在空中的运动及其表面触感不满。和其他类型的球员不同的是,守门员必须预测球的走向来堵截它,当球在空中飞行时,他们在场上的活动范围是受限的,很难调整到理想的路线。这意味着守门员通常是最抱怨新设计的。(当然,德赫亚和卡巴列罗们并不能把这届世界杯上的匪夷所思的失误怪罪给球……)

今年的球会更“好踢”一些

“电视之星18”的球缝位置、球缝长度和表面突起等精妙的设计元素,都控制着球在空中的运动。

物理学教授约翰·埃里克·戈夫(John Eric Goff)通过风洞研究“电视之星18”的飞行属性,绘出它的阻力曲线,以找出它可能在什么地方下降和变向。

当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。这就是电风扇的扇叶会落灰的原因。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;而这时空气会在球两侧直线距离最远的两个点分开。想象一个球从右到左经过钟表的表面,也就是从3点处飞到9点处。当空气处于层流状态时,空气流动过球的表面,在12和6两点分层流动,造成更多的空气阻力。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,在2和4两点分开。这时风会沿着球的曲线“包”住球的后部,反而让空气阻力更小,使球可以在空中更久地高速飞行。

关键在于,飞行的物体周围的空气由湍流变为层流(相反也一样)时有一个临界点。不同的足球有不同的临界点,球员可能会因此遇到麻烦。

约翰·埃里克·戈夫和两届世界杯用球(左:桑巴荣耀,右:电视之星18)。图片来源:约翰·埃里克·戈夫

2010年南非的“普天同庆”球有一个烦人的特点:湍流和层流的临界点在约80km/h和72km/h之间,而这恰好是角球和任意球的速度范围。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。另外,“普天同庆”在长传时的难以预测,而这一点帮助西班牙赢得2010年的世界杯冠军——西班牙足球队几乎全部依靠精确的短传,并不怎么使用长传。“这是球队适应足球的完美例子。”戈夫说。“普天同庆”是第一个只有六道球缝的球,尽管它的表面材料较为粗糙,但整体还是太光滑了。

今年,世界杯的官方用球应该不会像2010年一样影响冠军归属。在风洞测试中,戈夫发现“电视之星18”不会在空中飞行时像“普天同庆”一样晃动。它的空气动力学属性和“桑巴荣耀”非常相似, “桑巴荣耀”比“普天同庆”多了68%的球缝以改变球周围的气流。而“电视之星18”更先进。戈夫发现,“电视之星18”周围的空气转化为分流层的速度点比较低(61.2km/h),所以并不会在角球、长传和任意球的速度上产生太大的变化,让球更为可控。

在设计“电视之星18”时,阿迪达斯试图创造能在空中尽可能稳定且有规律飞行的足球。“球的构造加强了球被踢时的受力分布和反应的稳定性。”一名阿迪达斯的工作人员在声明中表示,“球的表面材质也使球的飞行、触感和表面滑动达到最优。”

细微的区别,能在比赛中发现吗?

尽管“电视之星18”和“桑巴荣耀”存在诸多相似性,两者的几处差异也会影响比赛,空气动力学工程师菲罗兹·阿拉姆(Firoz Alam)说。他也对“电视之星18”进行了风洞测试。

“当球员们短传时,他们必须要更用力一些,因为球的速度在60km/h时,它的空气阻力比“桑巴荣耀”的更大。”阿拉姆说。

而在射门的时候,球员可能需要踢得更轻一些。相比“桑巴荣耀”,“电视之星18”在65km/h到80km/h的速度范围时,它在空气动力学上更有效率,踢太重有可能会更容易踢飞。超过90km/h时,两种球的感觉就差距不大了。

德国守门员曼努埃尔·诺伊尔。图片来源:Foot The Ball

然而,在戈夫的风洞测试中,他和他的团队注意到,“电视之星18”在更高速飞行时会遇到更多阻力,他们预测长传球会少飞行大约8%或9%的距离。这意味着德国“门卫”曼努埃尔·诺伊尔可能不会像4年前一样,在大脚解围方面发挥那么大的作用。戈夫说,“你会看到他大力把球踢出,但在这届世界杯上,你可能会注意到有时球不会飞行那么远。”

踢得不好不要怪球啊!

即使球的飞行距离可能会稍短一些,“电视之星18”的新变化使它更均衡。阿拉姆和他的团队发现,球的飞行距离与踢到位置处有无球缝有关系,但 “电视之星18”没有这么明显的变量。

“电视之星18”球缝的总长度约4.3米,比“桑巴荣耀”多了大约1米。更长的球缝和更对称的球块,使球不管怎么转动都露出同样长度的球缝。“另外那两种球不是这样的(指“桑巴荣耀”和“普天同庆”),它们转动时露出的球缝长度有明显不同。”他说。

“我们发现,‘电视之星18’表面的沟壑和突起非常规律,而且有点平。”阿拉姆说。球表面的突起不像“桑巴荣耀”那样突出,球缝也比过去更窄更浅。更长的球缝,更有规律的球块结构、突起和球缝形状,所有这些元素构成更对称、更均衡的足球。阿拉姆说,“我们认为它会有更稳定的飞行。” 他还表示,由于俄罗斯的11个球场都在同一海拔,球在所有比赛中的使用效果应该都一样。

因此这届世界杯上,如果再有奇怪的传球和糟糕的射门,都别再怪足球了,设计师已经足够努力啦!

(编辑:李子李子短信、Ent)

题图来源:法新社

The End

发布于2018-06-25, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Dyani Sabin

自由科学记者。

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