在大家看世界杯的时候,可能很少会注意到足球本身。“不都是圆乎乎的一个球吗?”但实际上,踢不好可能真的要怪球不行。2010年世界杯西班牙夺冠,真的很可能和球有关——南非世界杯的“普天同庆”(Jabulani)在空中飞行时的诡异莫测,让靠远距离长传转移的队伍吃了不少苦,而善于地面短传的西班牙则占尽便宜。
自1970年起阿迪达斯设计的世界杯足球,每一届世界杯,阿迪达斯都会推出新设计的足球,而球员们都会对它多少不满。有的球可能太轻且很容易踢飞,例如2002年的“飞火流星”(Fevernova);有的可能让守门员们更难预测它的轨迹,如2006年的“团队之星”(Teamgist);足球微小的空气动力学变化,可以影响球队的表现。这些,都和球的缝合形状有关系。而研究空气动力学的科学家,对此非常感兴趣。
今年用的球是完美的足球吗?可能大家都注意到了,今年的球表面有着黑白灰的马赛克纹路,这是一款向黑白电视时代复古致敬设计的球(黑白相间的球在黑白电视上更容易被发现)。不仅是印花向那个年代致敬,球表面的科学也是。理想的足球是表面有突起的完美球体,其表面的精妙纹理足以轻微搅动周围的气流。虽然听上去违反直觉,但足球表面的突起和球缝反而能够使其受到的空气阻力更小,帮助球在空中更加稳定地飞行。
而传统的足球是五边形和六边形缝合起来的,缝合的球缝恰好也能起到这样的作用。
俄罗斯世界杯的“电视之星18”(Telstar 18)轻微的突起和六块热融合在一起的皮块,可以防止非旋转球飘忽不定的特性。和上届的用球相比它不会沿着球场飞太远,在空中的运动也稍有不同,但空气动力学测试表明,总体来讲它在空中更加稳定。对新球的批评也不是没有。
到目前为止,“电视之星18”受到了一些守门员的批评,他们都是从去年11月开始使用新球的,但有些守门员对球在空中的运动及其表面触感不满。和其他类型的球员不同的是,守门员必须预测球的走向来堵截它,当球在空中飞行时,他们在场上的活动范围是受限的,很难调整到理想的路线。这意味着守门员通常是最抱怨新设计的。
今年的球会更“好踢”一些。
“电视之星18”的球缝位置、球缝长度和表面突起等精妙的设计元素,都控制着球在空中的运动。物理学教授约翰·埃里克·戈夫(John Eric Goff)通过风洞研究“电视之星18”的飞行属性,绘出它的阻力曲线,以找出它可能在什么地方下降和变向。当任何物体在空中运动时,一层相对静止的薄空气会环绕在它周围。这就是电风扇的扇叶会落灰的原因。
当球慢速飞行时,空气从足球表面平滑地流过,形成互不干扰的空气层,这种状态被称为层流;而这时空气会在球两侧直线距离最远的两个点分开。想象一个球从右到左经过表面,也就是从3点处飞到9点处。当空气处于层流状态时,空气流动过球的表面,在12和6两点分层流动,造成更多的空气阻力。阻力加剧球的减速。
相反,当球高速运行时,空气就不会分成层,而是乱作一团,在球的表面形成混乱湍流,在2和4两点分开。这时风会沿着球的曲线“包”住球的后部,反而让空气阻力更小,使球可以在空中更久地高速飞行。关键在于,飞行的物体周围的空气由湍流变为层流(相反也一样)时有一个临界点。不同的足球有不同的临界点,球员可能会因此遇到麻烦。
2010年南非的“普天同庆”球有一个烦人的特点:湍流和层流的临界点在约80km/h和72km/h之间,而这恰好是角球和任意球的速度范围。空气不同流动状态间的转化会使球受到更多空气阻力,造成出乎意料的晃动和下坠。另外,“普天同庆”在长传时的难以预测,而这一点帮助西班牙赢得2010年的世界杯冠军——西班牙足球队几乎全部依靠精确的短传,并不怎么使用长传。“这是球队适应足球的完美例子。”戈夫说。
“普天同庆”是第一个只有六道球缝的球,尽管它的表面材料较为粗糙,但整体还是太光滑了。
今年,世界杯的官方用球应该不会像2010年一样影响冠军归属。在风洞测试中,戈夫发现“电视之星18”不会在空中飞行时像“普天同庆”一样晃动。它的空气动力学属性和“桑巴荣耀”非常相似, “桑巴荣耀”比“普天同庆”多了68%的球缝以改变球周围的气流。而“电视之星18”更先进。
戈夫发现,“电视之星18”周围的空气转化为分流层的速度点比较低(61.2km/h),所以并不会在角球、长传和任意球的速度上产生太大的变化,让球更为可控。
在设计“电视之星18”时,阿迪达斯试图创造能在空中尽可能稳定且有规律飞行的足球。“球的构造加强了球被踢时的受力分布和反应的稳定性。”一名阿迪达斯的工作人员在声明中表示,“球的表面材质也使球的飞行、触感和表面滑动达到最优。
”细微的区别,能在比赛中发现吗?尽管“电视之星18”和“桑巴荣耀”存在诸多相似性,两者的几处差异也会影响比赛,空气动力学工程师菲罗兹·阿拉姆(Firoz Alam)说。他也对“电视之星18”进行了风洞测试。
“当球员们短传时,他们必须要更用力一些,因为球的速度在60km/h时,它的空气阻力比“桑巴荣耀”的更大。”阿拉姆说。而在射门的时候,球员可能需要踢得更轻一些。相比“桑巴荣耀”,“电视之星18”在65km/h到80km/h的速度范围时,它在空气动力学上更有效率,踢太重有可能会更容易踢飞。超过90km/h时,两种球的感觉就差距不大了。
然而,在戈夫的风洞测试中,他和他的团队注意到,“电视之星18”在更高速飞行时会遇到更多阻力,他们预测长传球会少飞行大约8%或9%的距离。这意味着德国门卫曼努埃尔·诺伊尔可能不会像4年前一样,在大脚解围方面发挥那么大的作用。戈夫说,“你会看到他大力把球踢出,但在这届世界杯上,你可能会注意到有时球不会飞行那么远。”
踢得不好不要怪球啊!
即使球的飞行距离可能会稍短一些,“电视之星18”的新变化使它更均衡。阿拉姆和他的团队发现,球的飞行距离与踢到位置处有无球缝有关系,但 “电视之星18”没有这么明显的变量。“电视之星18”球缝的总长度约4.3米,比“桑巴荣耀”多了大约1米。更长的球缝和更对称的球块,使球不管怎么转动都露出同样长度的球缝。“另外那两种球不是这样的(指“桑巴荣耀”和“普天同庆”),它们转动时露出的球缝长度有明显不同。
”他说。
“我们发现,‘电视之星18’表面的沟壑和突起非常规律,而且有点平。”阿拉姆说。球表面的突起不像“桑巴荣耀”那样突出,球缝也比过去更窄更浅。更长的球缝,更有规律的球块结构、突起和球缝形状,所有这些元素构成更对称、更均衡的足球。阿拉姆说,“我们认为它会有更稳定的飞行。” 他还表示,由于俄罗斯的11个球场都在同一海拔,球在所有比赛中的使用效果应该都一样。
因此这届世界杯上,如果再有奇怪的传球和糟糕的射门,都别再怪足球了,设计师已经足够努力啦!