2014年巴西世界杯用球(每届世界杯用球都要精心设计,电视之星、普天同庆…今年的“旅程”简直是“力与美”的冠军)

  2022卡塔尔世界杯近日开打了。球迷们的焦点是球星、破门和冷门,而对于物理学家来说,足球运动的空气动力学是更为美妙的看点。

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  依照传统,每届世界杯的用球都是新设计新款式,今年也不例外。美国林奇堡大学物理学教授约翰·戈夫(John Eric Goff)从事体育物理学方面工作,研究内容包括“世界杯用球的空气动力学分析”。

  不久前,戈夫撰文科普了足球在空中的“力与美”,以及多届世界杯用球的设计和空气动力学特点。

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  球在空中的受阻原理

  射门、任意球、长传……足球比赛中最美妙而又关键的时刻往往发生于球在空中时。因此,物理学视角下的足球,最重要的特征之一就是它在空气中的运动方式。

  当球在空气中运动时,会有一层薄薄的、接近静止的空气层围绕着球体的某些部分,它被称为边界层(boundary layer)。

  若球速较慢,边界层就只覆盖球前半部分,然后有条理地从球表面分离,如此一来,球后部的空气尾流比较有规则,属于层流(laminar flow)。

  2014年巴西世界杯用球(每届世界杯用球都要精心设计,电视之星、普天同庆…今年的“旅程”简直是“力与美”的冠军)

  风洞照片显示了低速运动的足球及其周围气流

  但如果球快速运动,边界层对球的覆盖范围大得多,当气流最终与球表面分离时,会产生一系列混乱的漩涡,也就是湍流(turbulent flow)。

  2014年巴西世界杯用球(每届世界杯用球都要精心设计,电视之星、普天同庆…今年的“旅程”简直是“力与美”的冠军)风洞照片显示了高速运动的足球及其周围气流

  要计算流动空气对移动物体所施加的力(阻力),物理学家需使用阻力系数的概念。对于给定速度的物体,阻力系数越高,它感受到的阻力越大。

  事实证明,层流中的低速足球所受的阻力系数,大约是湍流中高速足球的2.5倍。

  而另一个听起来有悖直觉的物理事实是,表面光滑的球受到的阻力更大,粗糙的反而阻力更小——因为后者的边界层分离更晚,球在湍流中所处的时间更长。带凹坑的高尔夫球比光滑的飞得更远,也正基于此原理。

  要制作优质足球,必须重点关注气流从湍流过渡至层流的速度。设计者应力求将过渡阶段开始时的球速最小化,因为这意味着足球越晚开始急剧减速,在湍流阶段运动的时间越久,能以高速状态飞过尽可能长的距离。

  世界杯用球的演变

  自1970年以来,阿迪达斯一直为世界杯提供用球。到2002年,每个球都采用了典型的32面结构:由皮革制成的20个六边形和12个五边形面板拼接缝合到一起。

  2014年巴西世界杯用球(每届世界杯用球都要精心设计,电视之星、普天同庆…今年的“旅程”简直是“力与美”的冠军)1970年和1974年的两届世界杯上亮相的阿迪达斯电视之星(Telstar)是许多人联想足球时的第一印象

  2006年德国世界杯开启用球新时代。这一年的用球名为团队之星(Teamgeist),由14块光滑的合成材质面板通过热粘合(而非缝合)方式组成,无惧下雨或潮湿天气,因为更紧密的胶合密封可防止水进入球内部。

  用新材料、新技术和更少数量的面板制作足球,改变了球在空中的飞行方式。回顾过去3届世界杯,2010、2014、2018,我们看到供球商阿迪达斯尝试在面板数量、接缝特性和表面纹理方面做到最好,创造空气动力学特性最佳的足球。

  2010年南非世界杯用球普天同庆(Jabulani)只有8个面板。面板数更少,接缝更短,表面更加光滑流畅,受到的空气阻力自然也就更大——为弥补这方面缺陷,球的面板都带有特定纹理,以增加粗糙度。不过即便如此,普天同庆仍饱受争议,许多运动员抱怨它突然减速的问题。

  2014年巴西世界杯用球(每届世界杯用球都要精心设计,电视之星、普天同庆…今年的“旅程”简直是“力与美”的冠军)2010年南非世界杯用球普天同庆

  当我和同事通过风洞实验中分析普天同庆时,我们发现它整体上过于光滑,其阻力系数比2006年的Teamgeist更高。

  2014年巴西世界杯用球桑巴荣耀(Brazuca)和2018年俄罗斯世界杯用球Telstar 18,都有着6个形状奇特的面板,当然表面纹理略有差异,不过整体上表面粗糙度基本相同,因此有着相似的空气动力学特性。球员普遍喜欢Brazuca和Telstar 18,但也有些人抱怨Telstar 18容易被踢爆。

  2022年用球Al Rihla

  进入过渡阶段时的球速最慢

  2022卡塔尔世界杯的最新用球是旅程(Al Rihla)。

  Al Rihla由水性油墨和胶水制成,号称最环保的世界杯用球,包含20个面板,其中8个是边长大致相等的小三角形,另外12个尺寸更大,形状有点像冰淇淋甜筒。

  Al Rihla没有像过往用球那样使用凸起的纹理来增加表面粗糙度,而是给表面添加小凹坑,因此球面触感更光滑。

  2014年巴西世界杯用球(每届世界杯用球都要精心设计,电视之星、普天同庆…今年的“旅程”简直是“力与美”的冠军)带小凹坑结构的Al Rihla更粗糙、更符合空气动力学

  饱受诟病的Jabulani面板少、接缝又短又浅,在空中球速很慢,相比之下,Al Rihla的接缝更宽更深。

  我同事在日本筑波大学的风洞中测试了最近的4个世界杯用球。

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  上图反映了过去4届世界杯用球的阻力系数与球速的关系。最新的Al Rihla球在较低速下的阻力系数较低,而2010年的Jabulani在高速下受到比其他3款球大得多的阻力,减速当然也更快

  如前文所述,对于飞行途中的足球来说,当气流从湍流过渡至层流时,阻力系数迅速上升,球所受阻力急剧增加,而球速急剧下降。

  风洞测试结果显示,大多数世界杯用球都以大约58公里/小时的速度进入气流过渡阶段,而Jubalani属于异类,会在球速还有82公里/小时的时候就进入过渡阶段。鉴于大多数任意球的初始速度都超过97公里/小时,因此可以理解球员们普遍认为Jabulani速度缓慢且难以预测。

  Al Rihla的空气动力学特性与它的两位前辈非常相似,甚至其低速运动状态下的球速还相对更快一些。

  资料来源:

  World Cup: This year’s special Al Rihla ball has the aerodynamics of a champion, according to a sports physicist

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