南非世界杯,直接任意球進(jìn)球罕見,守門員“黃油手”事件和長傳失誤倒是層出不窮,這都是空氣動力學(xué)使的壞。 　　當(dāng)占據(jù)主場優(yōu)勢的加納用一個35米左右的反彈球遠(yuǎn)射敲開烏拉圭的大門后,非洲球隊看上去即將歷史性首次闖進(jìn)4強(qiáng)。
　　
　　直到下半場第55分鐘,加納的禁區(qū)右側(cè)角外兩米,烏拉圭獲得了一個寶貴的任意球機(jī)會。通常,禁區(qū)弧頂是直接任意球的最佳區(qū)域,而角度這么偏的位置,罰球隊員往往會將球傳到6碼線附近,以期待身材高大的隊友頭球攻門。
　　烏拉圭隊長弗蘭將球擺好,助跑了4步,用內(nèi)腳背踢向皮球的側(cè)下部,“普天同慶”迅速飛了起來,高高越過了三名防守球員組成的人墻頭頂。剎那間,加納門將已經(jīng)意識到,這個球并不是傳球,而是一個南美技術(shù)型球員常用的“香蕉球”,射向他所把守的大門近角,于是金森向身體右側(cè)移動了小碎步。
　　可是,當(dāng)“普天同慶”越過人墻后,意料不到的事情發(fā)生了:突然轉(zhuǎn)向去了遠(yuǎn)角,并高速下墜。失去位置的金森只能原地跳起,試圖伸展手臂救球,但還是沒能摸到皮球的邊――球進(jìn)了!烏拉圭球員瘋狂慶祝,金森則一臉困惑。
　　賽后,弗蘭獲得了FIFA的本場最佳球員,他的直接任意球幫助烏拉圭六十年來再次殺入4強(qiáng)。對這個任意球破門,媒體紛紛稱詭異,說它簡直就是個“S形任意球”。
　　
　　S形任意球和阻力突變
　　
　　其實在物理學(xué)中,研究“香蕉球”不算個新玩意兒。最早研究它力學(xué)原理的是我們無處不在無縫不入的牛頓老前輩。早在1667年,他23歲的時候就已經(jīng)給出網(wǎng)球自轉(zhuǎn)和弧線球之間相互關(guān)系的深刻見解。至今看來,他的解釋還是相當(dāng)靠譜:當(dāng)一個球體在旋轉(zhuǎn)的時候,一側(cè)比另一側(cè)更猛烈地擠壓氣體,由此能夠引起更大的阻礙作用�，F(xiàn)在我們所知道的這個現(xiàn)象就是馬格努斯效應(yīng)。它是1877年,在瑞利勛爵(Lord Rayleigh)的論文中,以第一個正確解釋該現(xiàn)象的德國物理學(xué)家海因里奇•馬格努斯(Heinrich Magnus)的名字來正式命名的。馬格努斯發(fā)現(xiàn),一個沿著對稱軸旋轉(zhuǎn)的圓柱體在垂直對稱軸的來流中會受到一個側(cè)向力的作用。
　　牛頓和馬格努斯其實只是剛剛給我們的故事開了個頭,而普朗特(Ludwig Prandtl)則帶來了流體力學(xué)一次徹底的革命。1904年,他發(fā)現(xiàn)一切流體中的物體,無論是飛機(jī)、炮彈、還是魚兒、蝌蚪都裹著一層層看不見的流體衣服――“邊界層”。
　　為了說清楚這個概念,讓我們先來討論一個更簡單的問題:空氣中直線不旋轉(zhuǎn)的小球。當(dāng)一個球體在空氣中滑行時,同球面的接觸的空氣永遠(yuǎn)和球面上的那個接觸點擁有相同大小和方向的速度。因此,緊貼著球體的一層空氣就像一件緊身衣,形影相隨地跟著球體運(yùn)動。球體靜止,它也紋絲不動;球體直飛,它也跟著動若脫兔。
　　在這層緊身衣外面的那層就會稍稍寬松一點,好像一件輕薄的襯衫。它可以隨著緊身衣運(yùn)動,但是不像緊身衣對球體那么言聽計從了。再外面一層是更寬松休閑的毛絨衫。這樣一層一層穿下去,直到最外面層,便是更加寬松飄逸的霓裳羽衣服了,基本上不隨球體旋轉(zhuǎn)了。
　　科學(xué)家們逐層測量空氣的速度,如果某一層空氣的速度只達(dá)到球面接觸點速度的5%(也有人采用1%)時,他們就定義這層“衣服”是“混搭裝扮”的外層邊界�！巴庖隆钡角蝮w之間的部分合起來就叫做“邊界層(boundary layer;航空科學(xué)上也稱之為附面層)”。這個邊界層非常薄,例如一個一米長的平板,以20米每秒的速度平行來流飛行的話,邊界層最厚的地方大概只能達(dá)到3毫米。
　　通過邊界層,球體運(yùn)動就和外界發(fā)生了密切關(guān)系。因為邊界層內(nèi)的衣服越穿越不緊。每層之間就會發(fā)生相對運(yùn)動和相對摩擦。這些摩擦將會把球體的能量消耗掉,從而減慢了球體的運(yùn)動。這就是流體中摩擦阻力的由來。但是,這些摩擦阻力往往不足掛齒。在高速流動中,球體還會不斷地表演“脫衣舞”(邊界層分離,boundary layer separation)。
　　好玩的是,那些愛脫衣服的地方都在球體后面。這些性感裸露的外面會形成一個低速區(qū)。那里流動亂七八糟,壓力還相對較低。結(jié)果,球體前面的空氣就對后面形成了優(yōu)勢,拼了命地往后推,從而形成了“形狀阻力”。摩擦阻力和形狀阻力同心協(xié)力,共同構(gòu)成了流體中的阻力。
　　為了讓具體的實驗結(jié)果具有普適性,科學(xué)家們用一個阻力系數(shù)來表示阻力的大小。對于同一個物體同樣的迎風(fēng)飛行的速度和方向而言,阻力系數(shù)越大就意味著阻力越大。
　　當(dāng)球體旋轉(zhuǎn)起來,它就更加生動了。如果你站在球體上,你會發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的球體總有一面是迎著風(fēng)勇往直前的,另一面是順著風(fēng)順坡騎驢的。“勇往直前”的那面,邊界層里的空氣順著球體表面向后運(yùn)動時,早早就被甩到后面去了。“順坡騎驢”的空氣在邊界層里懶得下“驢”,能拖就拖,比勇往直前晚了許多被脫掉。結(jié)果,“勇往直前”就更接近真理,順坡下驢就裹得更嚴(yán)實。和“型阻”的產(chǎn)生同樣的道理,赤裸的一面就有了一個更大的低速區(qū)。球體很害羞,總想把赤裸的一面擋在身后,所以就慢慢朝向順坡下驢那一面飛去了。于是,你終于發(fā)現(xiàn)“香蕉球”形成了!而且隨著轉(zhuǎn)速增加,這種趨勢更加強(qiáng)烈。(物理學(xué)術(shù)語解釋:邊界層分離總是在迎風(fēng)面提前,順風(fēng)面延遲。這種不對稱性造就了重力和阻力以外的橫向力。)如今,馬格努斯效應(yīng)已經(jīng)歸結(jié)為這種邊界層的不對稱分離了。
　　由此看來,我們一下子看懂了弗蘭的兩個任意球特點:香蕉球來自于足球的快速旋轉(zhuǎn),而快速旋轉(zhuǎn)來自于他出球時瞬間的抹球。用鞋帶部分觸球增大了球體前滾翻的轉(zhuǎn)速。
　　這個飄忽不定的S形是怎么出來的呢?阻力曲線圖上,隨著速度(橫坐標(biāo)的雷諾數(shù))增加,我們發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)(縱坐標(biāo))有個突降。這個并不是實驗不準(zhǔn)確造成的。而是科學(xué)上臭名昭著難以解決的“湍流”產(chǎn)生的作用!發(fā)生阻力系數(shù)突降的雷諾數(shù)被稱作臨界雷諾數(shù)。如果一個不旋轉(zhuǎn)的球體,速度達(dá)到一定程度,球體雷諾數(shù)會超過臨界雷諾數(shù)(大概十萬到五十萬左右)。邊界層里的空氣將會突然變成“湍流”,邊界層轉(zhuǎn)化為湍流邊界層。
　　湍流邊界層擁有更大的能量,可以在球壁上附著很遠(yuǎn)。球體如果旋轉(zhuǎn)起來的話,請回到勇往直前和順坡下驢:勇往直前如果過于勇猛(轉(zhuǎn)速足夠高),勇往直前會率先變身,結(jié)果勇往直前突然穿上圣衣,一下子比順坡下驢裹得還嚴(yán)實,從而減弱了赤裸部分對應(yīng)的低速區(qū)。
　　為了把赤裸部分藏在身后,球體就會往順坡下驢的一面運(yùn)動了(反馬格努斯效應(yīng))。隨著速度下降,球體運(yùn)動的雷諾數(shù)又低于了臨界雷諾數(shù),湍流就會消失。根據(jù)前文的推斷,球體又瞬間轉(zhuǎn)向了勇往直前一邊。轉(zhuǎn)彎的瞬間,轉(zhuǎn)速相對增加,湍流可能再一次出現(xiàn)。因此雷諾數(shù)有可能在臨界值附近反復(fù)往返變化,而阻力系數(shù)就會來回地突變,所以守門員就會發(fā)現(xiàn)球體運(yùn)動方向飄忽不定――弗蘭發(fā)出的任意球很可能正是處于接近臨界球速區(qū)域,因此出現(xiàn)了詭異的S形。
　　
　　本田圭佑的慢速變化球
　　
　　從英格蘭的格林開始,守門員不斷上演著“黃油手”,連世界最佳門將之一、西班牙的卡西利亞斯也出現(xiàn)過多次撲球脫手,巴西的塞薩爾更是因為沒有判斷對荷蘭人斯內(nèi)德任意球的球路,導(dǎo)致巴西意外出局。
　　不僅門將,球員也在責(zé)怪世界杯用球“普天同慶”不好使,特別明顯的就是大牌球員的長傳球失誤增加。但制造商adidas公司回應(yīng),相比過去的14塊皮片,新款足球由8塊皮片組成,并且表面還有空氣動力學(xué)凹槽,而且通過了嚴(yán)格的風(fēng)洞測試�？傊�穩(wěn)定性提高了30%。
　　“普天同慶”是2006年世界杯時使用的“團(tuán)隊之星”的升級版。當(dāng)時,阿迪達(dá)斯公司說它是世界上最精準(zhǔn)的足球,但是球員抱怨它跟他們習(xí)慣踢的足球不同。
　　現(xiàn)在“普天同慶”遭遇了與“團(tuán)隊之星”同樣的問題。
　　一個主要的問題是所謂“慢速變化球”(Knuckle-balling)。
　　這種變線球在球的運(yùn)動過程中,球的軌跡會向不明方向發(fā)生偏離。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,是球在直線飛行的過程中,球體不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。(這就有點像子彈一樣,如果子彈從槍膛里出來后,不經(jīng)來福線加以旋轉(zhuǎn),子彈就會在射向目標(biāo)的方向上發(fā)生翻轉(zhuǎn),子彈飛不了多遠(yuǎn),也就失去了它應(yīng)有的殺傷力。子彈的這種旋轉(zhuǎn),就是利用了物理學(xué)里的“陀螺旋轉(zhuǎn)”原理。)
　　具有諷刺意味的是,這種失去旋轉(zhuǎn)的球,由于受到空氣動力學(xué)方面的影響,會使球從正常的軌跡中發(fā)生偏離。這種球的球面并非完完全全地平滑,表皮與表皮之間的粘合部,都存在著接縫,球體表面的不平滑,正是由于有這些接縫處的凸邊存在。球體表面的不規(guī)則致使球體在運(yùn)行過程中,其四周產(chǎn)生不對稱的氣流,致使球體向氣壓小的方向上偏離。
　　球的總體設(shè)計和新增加的凹槽使得在相當(dāng)于以禁區(qū)周圍發(fā)任意球時踢出的速度時,在正常的出球速度下,“普天同慶”更易于成為慢速變化球。
　　葡萄牙的C羅正是發(fā)出這種很少旋轉(zhuǎn)的任意球的高手,但本屆杯賽,真正射出驚世駭俗的慢速變化球,只有日本球員本田圭佑。對丹麥的比賽中,他在距離球門37米的位置,射出時速107公里的任意球,然后“普天同慶”就呼嘯著飛向球門底角,讓丹麥?zhǔn)亻T員索倫森措手不及。

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