球類運動歷來備受關(guān)注。在優(yōu)秀球員的駕馭下,球在空中運動的過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、下沉和晃動,既能令對手猝不及防從而贏得比賽,又具有較高的觀賞性。那么,這些球路的變化是如何實現(xiàn)的呢?
在足球界,以前大衛(wèi)·貝克漢姆、安德烈亞·皮爾洛等著名球員,通過高速、刁鉆、彎曲的香蕉球為球隊奪分。還有克里斯蒂亞諾·羅納爾多等球員則以晃動著飛出的無旋轉(zhuǎn)任意球作為自己的武器。踢出這種香蕉球的條件是什么?為何無旋轉(zhuǎn)飛行的球會發(fā)生晃動?晃動又是如何產(chǎn)生的呢?
彎曲3米以上的香蕉球
優(yōu)秀的足球運動員可以踢出犀利、橫向彎曲的香蕉球(弧旋球)。在發(fā)任意球時,球門與踢球者之間會有對方球隊的幾名球員并排組成的人墻擋住進(jìn)球路線。此時,如果踢出香蕉球,就可以通過馬格努斯力使球路彎曲,從而避開人墻成功射門。
但并不是說提升旋轉(zhuǎn)速度,從而讓馬格努斯力越大越好。有研究人員表示,一般而言,提升球的轉(zhuǎn)速的同時,球速反而會下降。無論足球彎曲的幅度有多大,如果射門速度慢,就會被守門員輕易撲出。因此,要想避開優(yōu)秀的守門員成功破門,就需要踢出速度快、彎曲幅度大的球路。
優(yōu)秀球員踢出的任意球球速會超過每小時100千米。研究人員在進(jìn)行場景模擬時發(fā)現(xiàn),要想讓這種速度的任意球避開人墻(假定在距離約9米遠(yuǎn)的位置有5名身高1.8米的對方球員并排)成功射門,球離開地面時與地面的夾角必須控制在15°~17°之間,也就是僅有2°的精度范圍(在距離球門25米的位置,踢出轉(zhuǎn)速為每秒8轉(zhuǎn)的側(cè)旋弧線的情況)。如果是足球,以每小時90千米的速度每秒旋轉(zhuǎn)8轉(zhuǎn),球會在這個距離內(nèi)彎曲3米以上。
優(yōu)秀球員的射門:球在橫向彎曲的同時急劇下沉
上圖展示的是在任意球時,球避開人墻,斜向下彎曲射門的情景。如果球發(fā)生旋轉(zhuǎn)軸相對于地面是垂直的側(cè)旋,就會產(chǎn)生使球的軌跡橫向彎曲的馬格努斯力。如插圖所示,旋轉(zhuǎn)軸傾斜后,馬格努斯力向斜下方發(fā)揮作用,球便可在彎曲的同時急劇下沉
優(yōu)秀球員踢出的球速度快,
且在彎曲的同時急劇下落
踢出弧線的關(guān)鍵在于,落腳點在偏離球心的位置,偏離球心的幅度越大,球的轉(zhuǎn)速越快。而且,淺井教授表示,球與腳的接觸面有一個垂直方向,要想踢出理想的香蕉球,腳的擺動方向與該垂直方向之間的夾角需要在35°左右。該角度越大,球的轉(zhuǎn)速越快,球速就越慢。
研究人員稱,安德烈亞?皮爾洛等優(yōu)秀的任意球球員會踢出更高水平的射門。他們會使球的旋轉(zhuǎn)軸傾斜角度大于側(cè)旋,讓馬格努斯力傾斜向下發(fā)揮作用,從而踢出“球速快、大幅彎曲的同時又急劇下沉的”球路。
無旋轉(zhuǎn)射門時,為何球會晃動?
足球中也有幾乎無旋轉(zhuǎn)的晃動的球技,那就是任意球中有名的無旋轉(zhuǎn)射門。牢牢掌握球的中心,像推射一樣出腳,就會實現(xiàn)無旋轉(zhuǎn)。那么,無旋轉(zhuǎn)射門時,足球晃動的原理是否與彈指球相同呢?
足球(直徑22厘米)球皮的接縫處有凹陷。但是,研究人員進(jìn)行的風(fēng)洞實驗及使用足球發(fā)射裝置進(jìn)行的實驗顯示,與棒球的彈指球不同,足球的接縫排列方式與受力方向是不對應(yīng)的。
研究人員使用球的發(fā)射裝置再現(xiàn)了足球的無旋轉(zhuǎn)射門。上圖為以每小時82千米的初速度發(fā)射時球的飛行軌跡,先向右,再向左,然后再向右彎曲。
研究人員稱,無旋轉(zhuǎn)射門時,足球后方的氣流會形成渦旋結(jié)構(gòu),特征如下圖所示。這種說法是20世紀(jì)70年代,日本九州大學(xué)名譽教授種子田定?。ㄒ压剩┽槍Ρ砻嫫交那虬l(fā)表的一個結(jié)論。
無旋轉(zhuǎn)射門時球晃動的原理
下圖是無旋轉(zhuǎn)射門時球后方的氣流產(chǎn)生的渦旋結(jié)構(gòu)。氣流(渦旋結(jié)構(gòu))偏向一側(cè),球受其反作用力產(chǎn)生晃動。因為會發(fā)生不規(guī)則變化,所以守門員感覺球是晃動的。
這種渦旋結(jié)構(gòu)會使球后方的氣流偏向一側(cè),因此,球會受到其反作用力。而且,這種渦旋結(jié)構(gòu)會發(fā)生不規(guī)則的旋轉(zhuǎn),所以其反作用力的方向也會隨之發(fā)生不規(guī)則的變化,從而導(dǎo)致球的晃動。無旋轉(zhuǎn)射門時,球速越快,氣流的作用力越大,球晃動得越厲害。
而且,足球出腳時的碰撞瞬間,球會發(fā)生很大變形。淺井教授稱,這種變形會造成球后方氣流的紊亂,可能會對之后的氣流,甚至球的飛行軌跡產(chǎn)生影響。
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