足球越光滑飛得越遠？這樣的足球才是守門員的噩夢

本文授權轉載自： 中國科普博覽

說足球之前，咱們先來說說高爾夫球，因為它有一個讓人大跌眼鏡的現象：越是光滑的高爾夫球，越是飛不遠。

相差可以有多大呢？同等用力的情況下，粗糙球的飛行距離可以是光滑球的5倍！

這實在是有違人們的正常認知，我們都認為，球形是最完美的形體，表面越是光滑，則在飛行的過程中，球面與大氣的摩擦就越少，同等用力的情況下，理應飛得越遠。

但是，高爾夫球不是這樣。

早前，比賽用的高爾夫球，其裡面是用羽毛填充，再用皮革包裹起來，這樣的球很難做出標準的球體。1898年後，高爾夫球的製作材料逐漸被橡膠替代，但人們卻在這時發現了一個奇怪的現象：使用時間越長的球，打得越遠。

這引起了當時人們的好奇，經過摸索，終於找到了原因，原來，用橡膠的做的新球，其表面十分光滑，而使用時間很長以後，其表面的橡膠要麼有的地方開裂了，要麼就是有的地方磨損了，總之就是，球面相當粗糙。

這讓人們意識到，高爾夫球的表面越是粗糙，打得就越遠。所以，後來的高爾夫球表面不再是光滑的了，而是布滿無數的「小酒窩」。

圖片作者：Wolfye

高爾夫球的變遷（圖片來自1919年出版的《高爾夫50年》一書）

現在出售的高爾夫球，其表面大約有250-450個「小酒窩」，最高紀錄是在一個球上有1070個小酒窩。

任教於浙江大學38年的毛根海教授，其在所著的書《奇妙的流體運動科學》一書中，有這麼一個數據：

同等條件下，布滿小酒窩的高爾夫球，它在飛行中所受到的阻力只有光滑球的一半，而飛行距離是光滑球的5倍。

問題來了，為什麼粗糙球比光滑球飛得更遠？原因很簡單，先來看一個例子。

1968年，阿波羅8號飛船返回地球大氣層時示意圖（圖片來自NASA）

如上圖，飛船在返回地球大氣層時，由於速度極高，飛船前方與大氣劇烈衝撞，壓力極高，反過來呢，後方的空間，壓力很小，這是因為飛船高速下落時會排開空氣，後方空氣少了，壓力當然就小了。而後方壓力小會產生一種抽吸的力。

物體在流體中運動時，前後壓力差所帶來的阻力就叫做「形狀阻力」。

現代核潛艇為什麼全使用「水滴型」外形？這也是為了減少形狀阻力。

若您經常看「科普中國」寒木寫的文章，您可能會記得，在《核潛艇在哪兒跑得更快？深海還是水面？很多人之前都錯了》一文中，我們探討了潛艇多使用「水滴型」外形的成因。

如上圖，頂部的垂直豎版，其形體阻力最大，原因是其後方的「低壓區」面積最大，第二個球體的低壓區有所減少，直至底部的水滴型，其形狀阻力最小。

也就是說，相同條件下，要想減少阻力，一個最有效的是：想辦法減少其後方的低壓區面積。

但高爾夫球總不能像核潛艇一樣，也做成水滴型，怎麼辦？通過流體力學實驗，人們發現，光滑的與布滿小酒窩的球相比，後者產生的低壓區面積更少。

圖片來自航空航天工程師Jeffrey A. Scott

球上的無數小酒窩，它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後的位置時才產生分離。

守門員的噩夢

普天同慶（圖片來自Shawn Smith）

「普天同慶」，這是2010年南非世界盃指定用球，這也是一個飽受非議的足球。

「它像個神經病。」有球員這樣說。

「這個球是超自然的。它的軌跡很奇怪，似乎它不喜歡有人踢它。」有球員這樣說。

「它是個地攤貨！」有球員這樣痛斥。

…………

…………

無疑，普天同慶足球是最近幾屆世界盃中，最飽受批評的一個足球。

而在它還剛剛面世時，生產廠家就宣傳說：這個球只用了8塊表皮就將足球拼接完成，完美地包住了內膽，這是史上最圓的足球。

不幸的是……

「對足球而言，最重要的一點是粗糙度。」 BBC採訪空氣動力學家梅塔博士時，梅塔博士這樣說，「粗糙度的大小，決定了出現『蝴蝶球效應』的最佳臨界速度是多少。」

所謂蝴蝶球，這是指棒球賽中的一種球路。其特點是，投手投出的球，速度一般般，但這是為了盡量減少球在飛行中的旋轉，以便造成不穩定和無法預測的運動軌跡。

如上圖，拿著球棒的打者面對飄忽不定的棒球，最終傻眼。

足球上的「香蕉球」現象，要求足球旋轉的足夠快，如此才能讓足球繞過人牆，射進球門。

但棒球上的「蝴蝶球」效應卻要求投出的棒球盡量不旋轉，這是為什麼？

棒球（圖片來自Olsin.se）

棒球上面有縫線，在飛行過程中，氣流經過縫線時，會產生更多湍流，由於左右不對稱，湍流增加了棒球側面的偏轉力。

尾流左右搖擺，飛行飄忽不定，如飛舞蝴蝶，故名「蝴蝶球」。

圖片來自Pallo valmiina

常規足球通常將32塊球面通過縫線拼合而成，縫線的總長度以及縫線的深度決定了足球的光滑度，縫線越多越粗糙。

常規足球一般在48公里每小時球速時才會產生最大化的「蝴蝶球效應」。

而普天同慶足球，由於其總縫線長度很短，導致其成為當時最光滑的足球，經過空氣動力學試驗，人們發現，在80～88公里每小時球速時，普天同慶才會產生最大化的蝴蝶球效應，而80公里左右時速恰恰是射門，以及自由球的典型球速。

以上，就是普天同慶飽受批評的原因。

2014年的巴西世界盃，其指定用球是「桑巴榮耀」。來自謝菲爾德哈勒姆大學的研究人員肖賓博士，它經過測量後發現，對於球面縫線接合處的深度，桑巴榮耀是普天同慶的3倍多[1]。

另外，普天同慶的接合線總長大約是203厘米，而桑巴榮耀縫線總長度高達327厘米。

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。

在接受BBC採訪時，肖賓博士說：表面粗糙的足球飛得更遠，在高速射門時，產生的蝴蝶球效應越少。

俄羅斯世界盃指定足球

圖片來自ДмитрийСадовников

本屆俄羅斯世界盃的指定用球是「電視之星」（英文名Telstar 18），顯然，因為有了普天同慶足球的教訓在先，新球「電視之星」應該不會再被球星們罵成是神經病、地攤貨等等。

研究人員測量了電視之星接縫長度，發現它比桑巴榮耀的接縫長度多了30%，為避免太過粗糙，電視之星的縫線深度有所減少[2]。

「今年的球與以前的球不會有太大的不同。」來自林奇堡弗吉尼亞大學的物理學研究人員說。

而日本筑波大學的研究人員則將新球放進風洞進行實驗，他們發現，新球的空氣動力特性與桑巴榮耀相似。

如上，本屆世界盃用球應該是沒多大問題。然而，對於普通大眾，尤其是男性球迷們來說，這個球最大的不足是球面的馬賽克花紋，這太不好了。

馬賽克臭名遠揚，這是人所共知的。

最後，祝大家看球愉快！

參考資料：

[1]Alejandra Martins《Brazuca:Secrets of the new World Cup ball》

[2]Marcus Woo《New 2018 World Cup Ball Passes Wind Tunnel Tests》

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

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