桑巴榮耀:世界盃變空氣動力學課

  北京時間23日消息,2014年國際足聯世界盃足球賽正如火如荼地進行,全世界的球迷享受著激情四射的足球盛宴。這些球迷中也包括了美國航空航天局(NASA)的工程師們。

  他們選擇了一個特殊的方式參與其中,即對本屆世界盃的比賽用球——阿迪達斯出品的“桑巴榮耀(Brazuca)”足球——進行測試,向公眾展示這款足球的空氣動力學特性。

  儘管NASA的科學家並沒有參與“桑巴榮耀”足球的設計和測試工作,但通過他們的實驗,可以使學生和民眾瞭解一些不大為人熟悉的空氣動力學基礎知識。相關的測試在NASA艾姆斯研究中心進行。

  拉比·梅塔(Rabi Mehta)博士是NASA艾姆斯研究中心實驗航空物理科主任,他說:“體育提供了很好的機會,可以讓下一代的研究者通過一些相關的東西瞭解空氣動力學領域。”空氣動力學是研究氣體和液體——在研究中稱為“流體”——在物體周圍如何流動的學科。

  埃姆斯研究中心的工程師在空氣動力學基礎研究中具有世界領先的地位,他們對流體在三維形狀如圓柱體、球體周圍流動的模式有深入瞭解。根據這些知識,工程師可以預測出形狀上的微小改變,會對流動模式產生怎樣的影響。

  據稱,在2010年南非世界盃時,比賽用球“普天同慶”(Jabulani)會表現出一些“超自然”的運動狀態。這款足球深受前鋒歡迎,卻是守門員的噩夢,因為當踢球時沒有或者只有很少的旋轉時,足球會突然墜落形成“電梯球”,使前鋒更容易得分。

  踢出“電梯球”的時候,球體幾乎沒有旋轉,氣流在球的縫線處以一種不尋常且不穩定的方式流動,球的軌跡變得無法預測。

  在體育運動中,利用球的飛行特性來獲得優勢並不新奇。在棒球比賽中,投手根據球的縫線控制球的旋轉,投出弧線球、快球、滑球、指間球等不同的球路。對足球而言,球體表面並沒有突出來的縫線,但大部分足球球面確實是有接縫的。

  為了解決“普天同慶”足球所具有的不可預測性問題,阿迪達斯公司與數百名球員合作,開發出“桑巴榮耀”足球。傳統的足球由32個面拼接起來,“普天同慶”足球只有8面,而“桑巴榮耀”則僅有6面。

  與之前的世界盃比賽用球相比,“桑巴榮耀”具有更少的面,但這些類似手指形狀的面之間的接縫長度卻增加了。相比“普天同慶”,這些接縫的深度也變深了。球面上還佈滿了凸起,所有這些因素都會影響球的空氣動力學特性。

  在通常的印象中,氣體是圍繞球體進行運動的,但這實際上並不準確。圍繞球體的氣流並不平滑,在球後方還會產生相當大的拉力。舉個例子,在高爾夫球場上,較為光滑的高爾夫球比正常的、凹凸不平的高爾夫球前進的距離要短得多。

  球體表面的小窩能夠攪動空氣,在球體後方產生較小的低壓尾流,從而減少拉力,使球運動距離變長。

  “在球體表面附近會形成一個很薄的空氣層,稱為邊界層,正是邊界層的狀態和變化影響了球的運動,”拉比·梅塔說,“足球所使用的材料,球面的粗糙程度都會影響其空氣動力學特性。”

  以世界盃賽場上通常的踢球速度而言,“桑巴榮耀”整體粗糙度的增加將減少電梯球產生的概率。在艾姆斯研究中心流體力學實驗室的一個60厘米×60厘米的風道中,拉比·梅塔演示了“桑巴榮耀”球體周圍的氣流情況。

  受控的煙霧流過足球表面,在激光的照射下,煙霧流動的軌跡清晰可見。在不同的速率下,球體周圍的氣流也產生了值得注意的變化。

  “我們從煙霧模式中要尋找的,就是在什麼速率下,煙霧的形態會突然發生變化,”拉比·梅塔指出,“這也是電梯球效應最為顯著的時候。”

  在艾姆斯研究中心一個長約43厘米的水道中,研究者利用螢光染色的液體來觀察球體周圍的流體形態。他們在黑光燈下發現,傳統足球產生最大的電梯球效應時速度約為48公里每小時。

  這一速度明顯低於世界盃參賽選手通常的踢球速度——約80到89公里每小時。有趣的是,更加光滑的“普天同慶”足球在約80公里每小時的速度時能產生最大的電梯球效應,這也就難怪2010年世界盃時,球員們會經常踢出電梯球。

  球面越光滑,要踢出電梯球所需的速度就越高。然而,由於“桑巴榮耀”增加了球面的粗糙度,因此產生最大的電梯球效應臨界速度降到了48公里每小時。因此,在2014年的世界盃賽場上,以常規射門速度踢出的球,其運行軌跡將更容易判斷出來。

  “球員們應該會喜歡這款新球,”拉比·梅塔說,“它在飛行中更穩定,踢球時對其的控制更像是傳統的32面足球。”那麼,“桑巴榮耀”會不會讓比賽變得沒那麼激動人心呢?答案是:不會。

  在對空氣動力學原理有所瞭解之後,球迷、觀眾——特別是孩子們——將更好地欣賞足球場上的技巧。頂級運動員將繼續以令人驚歎的方式控制足球,進球依然會令人血脈賁張。




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