清华教授解析任意球

　　场内·物理控   

　　世界杯开幕，你还在关注TIKI-TAKA战术如何被击破，又或者哪国帅哥球星更有男模范儿吗？在科学控球迷眼里，世界杯的看点远不止上述这些。今年3月，清华大学体育部中国足球发展研究中心设计的一门在线课程“足球运动与科学”受到热捧，清华大学物理系教授葛惟昆负责教授这门课程的力学部分内容，用简单易懂的语言解释了足球运动隐藏的物理学奥秘。其中，葛教授特别提到“香蕉球”和“电梯球”的不同原理，南都记者专访本身也是球迷的葛惟昆教授，从物理学角度“看”不一样的世界杯。也许就像有学生的评价一样：“原来足球比赛中有这么多科学可插手的地方，让人大跌眼镜。”

　　曾有媒体报道过生物力学专家的一份研究报告，报告结果显示，一名专业球员射门时球速在87 .4公里/小时到95.76公里/小时之间，并且得出结论：很少有人能够超越这个极限范围。然而在2009年欧冠小组赛皇马[微博]对苏黎世的比赛结束后，专家通过慢镜头回放发现C罗以定位球破门得分时，球速竟然达到骇人听闻的103公里/小时

　　电梯球

　　涡街理论

　　球很快地呈斜线往上飞，又以更大陡度急坠，好像电梯急上急下。C罗本人将自己的电梯球命名为“战斧”，他的战斧式射门时速往往超过100公里。

　　原理/涡街理论：

　　速度越快、球体直径越小、晃动频率就越高，所以在球急速运动时，它在气流中有一定摆动，有点飘忽不定，就是所谓涡街作用。

　　2012年欧洲杯比赛时，皮尔洛踢出这样一个球，一位巴黎综合理工女研究生在全美物理大会流体力学分会上对此做了一个报告，提到非旋转球体如果起始速度较小，球体基本是一个抛物线运动，就是前后弧线差不太多；当起始速度远远大于末端速度时，球下落的时候急坠，形成电梯球。

　　教授点评：

　　C罗发球前，把球的气门芯放在正对自己偏下正中的位置，这是球最硬的点，用这点来踢球，速度最快；然后C罗会往后倒退，站好后左脚再跨出一步，摆一个姿势，很多人以为他这是在摆架势，实际上它是一个规范的规定动作。然后助跑发力，充分利用小腿和膝盖的力量，用小腿猛击球。这对膝盖的要求非常大，所以C罗特别锻炼膝盖。

　　香蕉球

　　马格努斯效应

　　看似球踢向某一个方向，但实际上发生偏转。贝克汉姆[微博]的射门力量不小，但他的任意球时速一般只在8 7公里上下。

　　原理/马格努斯效应：

　　当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，将产生一个横向力，在这个横向力的作用下，物体飞行轨迹发生偏转，这一现象被称作马格努斯效应。

　　其他例子：乒乓球[微博]中的弧圈球

　　在打弧圈球的时候，运动员把球拍从很低的地方提起来，球拍和球有一个很长时间的摩擦，所以球的旋转非常剧烈

　　教授点评：

　　贝克汉姆用右脚脚弓内侧，和球接触时间比较长，带动球去转动。踢旋转球的一个最重要的关键，要和球有一个比较长时间的接触，然后使球随着脚发生转动

　　“电梯球”VS“香蕉球”

　　“电梯球”和“香蕉球”是任意球的两种不同类型，前者以皮尔洛和C罗为代表球员，后者以卡洛斯和贝克汉姆为代表球员。清华大学物理系教授葛惟昆在“足球运动与科学”课上详解了两种任意球的区别、不同原理，以及在生活中的其他类似例子。

　　和“香蕉球”原理非常类似的，是乒乓球中的弧圈球；与“电梯球”类似的原理，也出现在排球和棒球。在棒球比赛中，使用类似电梯球的技巧，令击球员产生误判进而挥棒，但棒球的轨迹却发生改变。葛惟昆介绍，C罗开电梯球前，在摆球时非常小心谨慎，一般是让气门芯的位置正对脚的触球面。“从气门芯踢出去，速度最大”，葛惟昆表示，这个细节可能是他个人习惯，但也有技巧原因。

　　“能踢好电梯球的球员不多，国内球员邵佳一[微博]算是一个，”因为电梯球很难防守，容易让守门员产生偏差，这球按照原来的轨迹应该越过球门，但没想到快到球门时突然落下，以一条诡异的弧线射入球门。

　　那些缝线凹陷里的奥秘

　　葛惟昆介绍，足球表皮材质、缝线也会对运动轨迹造成影响。实验数据表明，与光滑的球体比较，低速时足球受到的阻力更小，高速时受到的阻力更大。因为在到达临界速度之上，球表面薄薄的边界层变得不稳定，这与球面的粗糙程度相关。

　　一个广为人知的例子是高尔夫[微博]球表面的小凹坑，表面有凹坑的高尔夫球比原来光滑表面的球飞得更远。这些小凹坑意在减少临界速度，使高尔夫球在人们可以达到的飞行速度范围内，受到的阻力变小，飞得更远。足球缝合处的凹陷也起到同样作用，使边界层达到不稳定的球速会小一些。

　　但这届世界杯的新球“桑巴荣耀”可能会让C罗头疼。“桑巴荣耀”用6块十字形球皮制成，球形更圆，提高了足球的对称型、统一性和有效性，受空气湍流的影响更少。

　　日本筑波大学健康与运动研究所在风洞中进行的空气阻力实验表明，“桑巴荣耀”可控性好，只要脚法运用适当，球的弧线很好预测，利于踢香蕉球，然而电梯球就不容易踢出来了。这一研究发表在今年5月29日的《自然》子刊“Scientificreport”上。

　　采写：南都记者 龙玉琴

　　数据整理：南都记者 黄融