足球里的科學門道

徐知乾

人們愛看足球比賽，是因為敵我雙方的攻守太精彩了。不過，當你在看足球攻守“熱鬧”的同時，是否知道其中的一些科學門道呢？

“電梯球”為什么特別難招架

早些時候，讓足球守門員頭痛的是“香蕉球”。這種球看似拋物線球，踢向某一個方向，但實際上它不會沿著常規的拋物線路線走，而是會在下落的過程中發生偏轉，讓守門員難以判斷和撲救。但近些年來，比“香蕉球”更讓守門員頭痛的則是“電梯球”。

這種球從被踢出就獲得了強大的動能，所以一開始會高速沿直線前行，但由于空氣氣流的影響，這種球在飛行過程中會顫動——忽左忽右或忽上忽下，最后會以更大的坡度急墜，好像電梯一樣急上急下，讓守門員難以招架。因此，人們稱之為“電梯球”。

著名球星C羅就擅長踢這種球。這種球最大的特點是起始速度非常快。分析顯示，為了讓球獲得高速度，C羅的秘訣是，發球時一般把球的氣門芯放在正對自己腳的正中偏下的位置，因為這是球最硬的點，所以，在這個點發球時，球獲得的沖擊力比在其他點發球時要大很多。

那么，“電梯球”為什么會出現急墜現象呢？美國研究人員認為，這是“馮·卡門旋渦”造成的。這種旋渦是流體力學中的一種重要現象：在一定條件下穩定的某種流體——如空氣，繞過某些物體時，物體兩側會周期性地出現旋轉方向相反、排列規則的雙列旋渦。后來人們用它的發現者科學家馮·卡門的名字，命名了這種現象。這種現象在自然界常會遇到，如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等的時候都會形成。

對于高速運動的足球來說，當出現這種旋渦時，旋渦會對足球產生一個周期性的交替變化的橫向作用力，對足球左推右搡——這才使球出現了顫動；當這種作用力的頻率與足球的顫動頻率接近時，就會引起共振，加上地球引力的作用，就會讓足球急速向下——這才出現了急墜現象，“電梯球”便由此產生。

款式能影響足球的物理性能

改變足球的款式，真能影響足球的物理性能嗎？沒錯！因為足球的表皮材質、縫線真的會對足球的運動軌跡造成影響。實驗數據表明，與光滑的球體比較，表面相對粗糙的足球在低速時受到的阻力更小，高速時受到的阻力更大。因為在到達臨界速度之上時，粗糙的足球表面邊界層會產生“馮·卡門旋渦”，讓足球發生顫動，反而會減慢足球的運行速度。