瞧这才是打开世界杯的科学方式

 

2018-11-18 17:58

  当物理学视角和足球碰撞,就擦出了一些别样的火花。76岁的清华大学物理系教授葛惟昆也在关注比赛。他从事实验物理与半导体物理学、自旋电子学的研究,同时,他也在享受着足球带给他的快乐。

  从物理的角度来说,足球球体的运动,就是一个弹性球体在空气中运行的典型的空气动力学问题。这种运动中的规律一般并不复杂,主要起作用的,就是球的弹性、摩擦力和空气阻力。用物理解释足球,葛惟昆信手拈来。

  接近150公里/小时,就是一辆车在高速公路上狂飙的速度。本届世界杯中,葡萄牙和西班牙相遇的那场小组赛可谓高潮迭起。C罗在最后时刻力挽狂澜,踢出被解说员叹为翩若惊鸿,宛若蛟龙的C 型任意球,扳平比分。这脚球,其实混合了电梯球和香蕉球。葛惟昆分析道,球被踢出了一条非对称轨迹,但同时它也在侧旋。这是一个混合球。踢出电梯球的一大关键要素,就是球的初始速度要快。所谓大力出奇迹,要踢电梯球,高速为王道,球的初始速度应该接近150公里/小时,没错,就是一辆车在高速公路上狂飙的速度。

  对电梯球的研究始于法国巴黎理工大学的物理学家,他们写了一篇正儿八经的论文。葛惟昆概括说,研究的主要结论为:对于不同的发射速度,可以观察到两种不同的轨迹。对非旋转球体,起始速度小于末端速度时,球体轨迹为经典的伽利略抛物线;而当起始速度远大于末端速度时,球的轨迹为塔尔塔利亚的非对称曲线,会在下落时急坠。

  为什么?因为球在空气中运行时,其受到的空气阻力与其速度的平方成正比。球的速度越快,也必然遭到更大空气阻力的拦截。别人关心你飞得高不高,空气阻力关心你飞得累不累。通俗来讲,飞得越快,跌得越狠。速度是踢出电梯球的秘诀。这对运动员的体力也是极大挑战。C罗为了踢好电梯球,要专门加强对小腿腿部肌肉和膝关节的力量训练。毕竟,要在瞬间赋予足球150公里以上的初始速度,并非易事。葛惟昆坦言,目前中国国内的球员中,鲜有人能踢出电梯球。

  假设你从上往下俯视,你会看到球本身顺时针旋转,但球的飞行路线将向右偏转。前文提到,C罗那一脚,混合了电梯球和香蕉球。香蕉球,指的是踢出的足球在空中飞行出一道弧线,其落点偏离出射时的直线方向; 在罚任意球时,这弧线就能绕过人墙,骗过守门员,让人措手不及。在阿根廷对阵法国的八分之一决赛中,法国队帕瓦尔踢出了一脚世界波。这是一个外脚背远角外旋弧线球,乍看之下球直往门柱外而去,但又在最后时刻一个风骚走位转入门内,直挂球门死角。

  在难以预估的飞行路线背后是著名的马格努斯效应。如果觉得不好理解,那么假设拥有俯视视角,现在从上往下俯视弧线球的轨迹。会看到,球从右方踢向左方,球本身顺时针旋转,但球的飞行路线将向右偏转。这是因为,球在向前运动的过程中产生自旋,自旋带动周围气体运动,一侧气流速度大,一侧气流速度小,产生压力差,也就产生了力。如果球员想让球最终偏向左边,他可以巧妙地给球一个向右的初始力,同时使球旋转。我们能看到在香蕉球运行的末尾时刻,会发生更剧烈的偏转,给守门员一个巨大的惊吓。要踢出香蕉球,脚和球的接触面积要大,接触时间要长。葛惟昆站了起来,指着自己的脚,踢的时候用脚弓或者外脚背,往反方向踢的同时带动球旋转。香蕉球对球员的力量要求不高,但对技术要求挺高。落叶球其实和香蕉球的原理相同,只是它是竖直旋转,看起来飘飘然飘向上空,结果又转着转着转进球门,就是不走寻常路。

  世界杯进入淘汰赛阶段之后,点球大战也不可避免。哥伦比亚对英格兰的点球大战就尤为吸睛,这是因为英格兰在过去7次正式比赛的点球大战中,输了6场。不过这一次,三狮军团成功破除点球魔咒,拿下哥伦比亚。点球是个磨人的小妖精,连大牌球星也免不了罚丢点球。葛惟昆说,有科研人员研究过,选择距离球门12码(1码约为0.9米)的地点罚球,也有讲究。如果罚球距离为零,那么守门员只要站在球的正后面,就可以阻止进球;当罚球点距离门线码时,得分概率几乎可以达到100%。而实验发现,罚球点距离球门12码时,进球概率为70%。70%的概率非常有魅力。葛惟昆说,球员有一半以上的概率可以踢进去,所以,进球的压力落在了球员身上。本来罚球就有压力,再加上重要比赛的压力,压力一大,脑子里想法就多,反而容易出问题。有球员在罚点球时喜欢追求死角,让球飞入球门的左上或者右上角。但是死角面积太小,稍微没控制好,球就会出框。往左路或者右路罚球是常见选择,但是胜利险中求,有些球员也会选择直取中路。这就是赌守门员一定会选择一个方向扑出,反而使中路出现空当。

  点球大战,考的不仅是守门员和球员。2006年世界杯上,在德国与阿根廷的点球大战之前,德国门将莱曼得到了来自守门员教练的神秘锦囊---一张小纸条,上面写着阿根廷主罚球员的罚球习惯。这张小纸条也成就了一场经典点球战。 中新

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