世界杯足球Brazuca背后的空气动力学

借着最近世界杯这股热劲儿，全世界的科学家们希望能抓住机会检测出2014世界杯官方用球的空气动力属性。这款比赛用球被巴西人民取名为Brazuca，它投入了大量研究和资金，是全球竞技体育中最先进的产品之一。

你也许会想，足球不就是个球嘛，是几块聚氨酯材料外皮粘贴缝合而成，在地上踢踢就行了。这种想法是不对的，如果你深入挖掘世界杯官方用球的历史，会发现其中还是很有门道的。足球球面上的每一块平面在运动过程中都会受到空气的影响。任何设计上的疏忽都会导致足球的运行轨道无法预测，上届世界杯用球“普天同庆（Jabulani）”就是一个例子，用巴西前锋Luis Fabian的话描述，这款足球“在飞行时，仿佛有超自然的现象”。

一个飞行的足球所受到的空气阻力是非常复杂的。简单解释一下是，当球在空气中运行时，足球表面会形成一个很薄的边界层，正是它在影响足球的运行轨迹。一种空气动力学影响足球运行路径的例子就是“蝴蝶球（knuckling）”。蝴蝶球又称指节球、慢速变化球，来源于同义棒球术语。在足球领域指以C罗式任意球为代表的无旋转快速飘忽球。 这种球踢出来几乎没有任何（或是有很小）的旋转，从而使足球在空气通道里运行的路线无法预测，这也解释了2010年世界杯用球“普天同庆”运行路线所谓的超自然现象。由于足球没有了最初的旋转，足球表面上空气压力的分布在不断变化，从而创造出了一个古怪的漂移运行路线。

阿迪达斯是本届世界杯Brazuca足球的制造商，为了解决之前世界杯比赛用球的不可预测性，他们主动咨询了上百位现役足球运动员，并最终开发出了一系列技术，限制出现“蝴蝶球”效应。作为体育界内的商业巨头，阿迪达斯决定增加足球表面质地的粗糙度，同时，他们将Brazuca的外皮数量减少为前所未有的六块，少于“普天同庆”的八块外皮。

位于艾姆斯研究中心的NASA科学家使用了风洞和水力槽测试了Brazuca，他们还用激光和荧光染料模拟了足球运动过程中所受到的空气阻力作用。“我们引入了烟雾模型，目的是探索在哪种速度下面会让烟雾模型发生突然改变，”Rabi Mehta说道，他是艾姆斯研究中心空气物理部门主管，也是一名空气动力学家，“这也是出现蝴蝶球效应的本质原理。”

他发现，Brazuca的设计能把最佳的蝴蝶球速限制在48千米/小时，而上届世界杯官方用球是80千米/小时。世界杯级别的足球运动员踢出的足球平均速度大约是80-89千米/小时，这几乎和“普天同庆”足球在空气中的运行速度相当，这也是为什么这款上届世界杯用球会让许多球员感到飘忽不定的原因之一。而Brazuca的蝴蝶球速限制在了48千米/小时，这也能让守门员可以更好的做出预测。“运动员应该会更喜欢这款新球，”Mehta说道，“新足球在比赛中会表现的更加稳定，感觉更像是传统的32面黑白足球。”

麻省理工大学的研究人员也分析了Brazuca足球粗糙表面所带来的优势。他们相信，更加平稳的比赛用球会对一种鲜为人知的现象产生影响，这种现象就是所谓的“马格纳斯效应（Magnus Effect）”。和粗糙表面的足球相比，一个非常光滑的足球，在运行中由于受到空气动力的影响会发生突然变向，最终的运行路线甚至会到相反方向上去。想象一下一名右脚球员在罚点球，如果他使用的是现在粗糙表皮的Brazuca足球，当他朝足球外部踢去的时候会产生一个“右向左”方向的力量，这点从直观上很容易理解。但是，如果使用一个有光滑表皮的足球，再用同样的方式踢上去，这脚射门很可能会让足球朝相反的方向运行。

这种令人惊奇的现象是由上文提到的足球表面边界层产生的空气阻力差造成的。一个表皮光滑的足球会产生明显的空气层流，从而造成和足球预期路径相反的移动。但是一个由粗糙表皮制造的足球，边界层上的空气阻力差就不会那么明显，这让足球的运行轨道更可预测。和之前的几款世界杯用球相比，Brazuca的缝接增长了50%，表面也变得更加粗糙，确保了它的运行更像是传统的32面黑白足球。

下次如果你看到了一次精彩射门，比如从罚球区边缘的一脚弧线球，不要简单的认为那就是一脚好球，因为这脚好球其中还有各种空气动力帮忙，才能完成了那辉煌一射。

 VIA gizmag

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