足球越光滑飛得越遠？這樣的足球才是守門員的噩夢
出品：科普中國
建造：寒木釣萌
監制：中國科學院計較機收集信息中間
說足球之前，咱們先來說說高爾夫球，因為它有一個讓人年夜跌眼鏡的現象：越是滑膩的高爾夫球，越是飛不遠。
相差可以有多年夜呢？劃一用力的環境下，粗拙球的飛翔距離可所以滑膩球的5倍！
這其實是有違人們的正常認知，我們都認為，球形是最完美的形體，概況越是滑膩，則在飛翔的過程中，球面與年夜氣的摩擦就越少，劃一用力的環境下，理應飛得越遠。
可是，高爾夫球不是如許。
早前，角逐用的高爾夫球，其里面是用羽毛填充，再用皮革包裹起來，如許的球很難做出尺度的球體。1898年后，高爾夫球的建造材料逐漸被橡膠替代，但人們卻在這時發現了一個奇異的現象：利用時候越長的球，打得越遠。
這引起了那時人們的好奇，顛末試探，終于找到了原因，本來，用橡膠的做的新球，其概況十分滑膩，而利用時候很長今后，其概況的橡膠要么有的處所開裂了，要么就是有的處所磨損了，總之就是，球面半斤八兩粗拙。
這讓人們意識到，高爾夫球的概況越是粗拙，打得就越遠。所以，后來的高爾夫球概況不再是滑膩的了，而是布滿無數的"小酒窩"。
圖片作者：Wolfye
高爾夫球的變遷（圖片來自1919年出書的《高爾夫50年》一書）
此刻出售的高爾夫球，其概況年夜約有250-450個"小酒窩"，最高記載是在一個球上有1070個小酒窩。
任教于浙江年夜學38年的毛根海傳授，其在所著的書《奇奧的流體活動科學》一書中，有這么一個數據：
劃一前提下，布滿小酒窩的高爾夫球，它在飛翔中所受到的阻力只有滑膩球的一半，而飛翔距離是滑膩球的5倍。
問題來了，為什么粗拙球比滑膩球飛得更遠？原因很簡單，先來看一個例子。
1968年，阿波羅8號飛船返回地球年夜氣層時示意圖（圖片來自NASA）
如上圖，飛船在返回地球年夜氣層時，因為速度極高，飛船前方與年夜氣猛烈抵觸觸犯，壓力極高，反過來呢，后方的空間，壓力很小，這是因為飛船高速下落時會排開空氣，后方空氣少了，壓力當然就小了。爾后方壓力小會發生一種抽吸的力。
物體在流體中活動時，前后壓力差所帶來的阻力就叫做"外形阻力"。
現代核潛艇為什么全利用"水滴型"外形？這也是為了削減外形阻力。
若您經常看"科普中國"寒木寫的文章，您可能會記得，在《核潛艇在哪兒跑得更快？深海仍是水面？良多人之前都錯了》一文中，我們切磋了潛艇多利用"水滴型"外形的當作因。
如上圖，頂部的垂直豎版，其形體阻力最年夜，原因是厥后方的"低壓區"面積最年夜，第二個球體的低壓區有所削減，直至底部的水滴型，其外形阻力最小。
也就是說，不異前提下，要想削減阻力，一個最有用的是：想法子削減厥后方的低壓區面積。
但高爾夫球總不克不及像核潛艇一樣，也做當作水滴型，怎么辦？經由過程流體力學嘗試，人們發現，滑膩的與布滿小酒窩的球比擬，后者發生的低壓區面積更少。
圖片來自航空航天工程師Jeffrey A. Scott。
球上的無數小酒窩，它可以起到讓空氣緊貼球面的感化，這使得光滑的氣流能順著球體概況延長到更靠后的位置時才發生分手。
守門員的惡夢
率土同慶（圖片來自Shawn Smith）
"率土同慶"，這是2010年南非宿世界杯指心猿意馬用球，這也是一個飽受非議的足球。
"它像個精神病。"有球員如許說。
"這個球是超天然的。它的軌跡很奇異，似乎它不喜好有人踢它。"有球員如許說。
"它是個地攤貨！"有球員如許痛斥。
…………
…………
無疑，率土同慶足球是比來幾屆宿世界杯中，最飽受攻訐的一個足球。
而在它還方才面宿世時，出產廠家就宣傳說：這個球只用了8塊表皮就將足球拼接完當作，完美地包住了內膽，這是史上最圓的足球。
不幸的是……
"對足球而言，最主要的一點是粗拙度。" BBC采訪空氣動力學家梅塔博士時，梅塔博士如許說，"粗拙度的巨細，決議了呈現'蝴蝶球效應'的最佳臨界速度是幾多。"
所謂蝴蝶球，這是指棒球賽中的一種球路。其特點是，投手投出的球，速度一般般，但這是為了盡量削減球在飛翔中的扭轉，以便造當作不不變和無法展望的活動軌跡。
如上圖，拿著球棒的打者面臨飄忽不心猿意馬的棒球，最終傻眼。
足球上的"噴鼻蕉球"現象，要求足球扭轉的足夠快，如斯才能讓足球繞過人墻，射進球門。
但棒球上的"蝴蝶球"效應卻要求投出的棒球盡量不扭轉，這是為什么？
棒球（圖片來自Olsin.se）
棒球上面有縫線，在飛翔過程中，氣流顛末縫線時，會發生更多湍流，因為擺布不合錯誤稱，湍流增添了棒球側面的偏轉力。
從頭至尾流擺布扭捏，飛翔飄忽不心猿意馬，如飄動蝴蝶，故名"蝴蝶球"。
圖片來自Pallo valmiina
常規足球凡是將32塊球面經由過程縫線拼合而當作，縫線的總長度以及縫線的深度決議了足球的滑膩度，縫線越多越粗拙。
常規足球一般在48公里每小時球速時才會發生最年夜化的"蝴蝶球效應"。
而率土同慶足球，因為其總縫線長度很短，導致其當作為那時最滑膩的足球，顛末空氣動力學試驗，人們發現，在80～88公里每小時球速時，率土同慶才會發生最年夜化的蝴蝶球效應，而80公里擺布時速恰好是射門，以及肆意球的典型球速。
以上，就是率土同慶飽受攻訐的原因。
2014年的巴西宿世界杯，其指心猿意馬用球是"桑巴榮耀"。來自謝菲爾德哈勒姆年夜學的研究人員肖賓博士，它顛末測量后發現，對于球面縫線接合處的深度，桑巴榮耀是率土同慶的3倍多[1]。
別的，率土同慶的接合線總長年夜約是203厘米，而桑巴榮耀縫線總長度高達327厘米。
增添縫線長度以及縫線的深度，目標就是為了增添足球的粗拙度。
在接管BBC采訪時，肖賓博士說：概況粗拙的足球飛得更遠，在高速射門時，發生的蝴蝶球效應越少。
俄羅斯宿世界杯指心猿意馬足球
圖片來自ДмитрийСадовников
本屆俄羅斯宿世界杯的指心猿意馬用球是"電視之星"（英文名Telstar 18），顯然，因為有了率土同慶足球的教訓在先，新球"電視之星"應該不會再被球星們罵當作是精神病、地攤貨等等。
研究人員測量了電視之星接縫長度，發現它比桑巴榮耀的接縫長度多了30%，為避免過分粗拙，電視之星的縫線深度有所削減[2]。
"本年的球與以前的球不會有太年夜的分歧。"來自林奇堡弗吉尼亞年夜學的物理學研究人員說。
而日本筑波年夜學的研究人員則將新球放進風洞進行嘗試，他們發現，新球的空氣動力特征與桑巴榮耀相似。
如上，本屆宿世界杯用球應該是沒多年夜問題。然而，對于通俗公共，尤其是男性球迷們來說，這個球最年夜的不足是球面的馬賽克斑紋，這太欠好了。
馬賽克臭名昭著，這是人所共知的。
最后，祝大師看球興奮！
參考資料：
[1]Alejandra Martins《Brazuca:Secrets of the new World Cup ball》
[2]Marcus Woo《New 2018 World Cup Ball Passes Wind Tunnel Tests》
（本文中標明來歷的圖片均已獲得授權）
- 發表于 2018-06-15 00:00
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