绕过人墙、半路转弯 怎么在世界杯踢出超帅“香蕉球” ?******
又到了四年一度 的世界杯
不知道大家 是否还记得
2018届世界杯中
葡萄牙和西班牙相遇 的小组赛
C罗在最后时刻力挽狂澜
踢出被解说员叹为
“翩若惊鸿,宛若蛟龙” 的
“C型”任意球,扳平比分
被踢出的球为什么会迅速升降?
又为什么会“拐弯”呢?
首先我们来了解一下任意球
任意球 是啥 ?
任意球 是罚球的一种 。它是一种在足球(或手球)比赛中发生犯规后重新开始比赛的方法 。
任意球分两种 :直接任意球,踢球队员可将球直接射入犯规队球门得分 ;间接任意球,踢球队员不得直接射门得分,球在进入球门前必须被其他队员踢或触及。判罚前场任意球后会使用一种泡沫喷剂划定球 的摆放位置,以及人墙 的站位,发任意球时需要用手触球 ,然后在裁判哨响后踢球。
香蕉球?能吃吗?
事实上 ,C罗踢出 的这种任意球在足球比赛中并不少见。
在1997年,在巴西对法国 的一场足球比赛中 ,巴西足球运动员Roberto Carlos ,在没有通向球门的直接路线的情况下 ,从35米外开出一个任意球。他 的射门使球飞过球员 ,并在快要出界 的时候急转向左,砸入球门。
图源:网络 香蕉球图解
球的突然拐弯让在场球员 ,特别 是法国守门员根本来不及反应 。这个史上最漂亮,最具标志性和最违反物理学定律的任意球 ,被叫作“香蕉球” 。法国物理学家对此研究了数年,终于用“马格努斯效应”解释了这个问题。
马格努斯效应
图源网络
当一个旋转物体 的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时,在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成 的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体飞行轨迹发生偏转 的现象 。这 是流体力学中 的一种现象。
图源:陕西师范大学物信院 马格努斯效应示意图
旋转物体之所以能在横向产生力的作用, 是由于物体旋转可以带动周围流体旋转 ,使得物体一侧的流体速度增加 ,另一侧流体速度减小 。
是不 是听得云里雾里?
香蕉球轨迹
球在气流中运动时,如果其旋转的方向与气流同向 ,则会在球体 的一侧产生低压,而球体 的另一侧则会产生高压。运动员的用力方向朝右,所以足球逆时针旋转 。拐点处足球左侧产生低压,右侧产生高压 ,这样就导致足球存在横向 的压力差 ,并形成向左侧 的力。
图源 :NKPhysics
根据物理公式 ,距离越远 ,速度越慢 ,球偏离角度也就越大。因此 ,我们能看到在香蕉球运行 的末尾时刻,会发生更剧烈的偏转,给守门员一个巨大的“惊吓” 。
我也能踢出和C罗一样 的球吗 ?
回到文章开头提到 的C罗“力挽狂澜” 的任意球,这一球不止踢出了上述“香蕉球”的概念 ,同时也混合了“电梯球”,即指大力踢出的足球 ,下落很快 ,像是从电梯上下坠 ,它实际上 是高速飞行的足球受到重力和大雷诺数阻力下的运动轨迹。
图源: 中国物理学会期刊网 皮尔洛 的“电梯球”
葛惟昆教授解释说:“踢出电梯球 的一大关键要素 ,就 是球 的初始速度要快 。”要踢电梯球,球的初始速度应该接近150公里/小时,没错 ,就 是一辆车在高速公路上狂飙的速度 。
图源 :科学世界
研究人员在进行场景模拟时发现 ,要想让100公里/小时以上速度 的任意球避开人墙(假定在距离约9米远 的位置有5名身高1.8米 的对方球员并排)成功射门 ,球离开地面时与地面的夹角必须控制在15°~17°之间 ,也就 是仅有2° 的精度范围(在距离球门25米的位置 ,踢出转速为每秒8转的侧旋弧线 的情况)。
如果 是足球 ,以每小时90千米 的速度每秒旋转8转,球会在这个距离内弯曲3米以上。
图源见水印
而踢出弧线 的关键在于,落脚点在偏离球心 的位置 ,偏离球心 的幅度越大,球的转速越快 。有研究人员称,安德烈亚皮尔洛等优秀 的任意球球员会使球的旋转轴倾斜角度大于侧旋,让马格努斯力倾斜向下发挥作用 ,从而踢出“球速快、大幅弯曲 的同时又急剧下沉 的”球路 。
资料来源:科学世界、中国物理学会期刊 、科技日报、天津科普说 、NKPhysics
整理 :董小娴
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作者:叶明睿(中国传媒大学教授)
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《光明日报》( 2020年12月25日 12版)
(文图 :赵筱尘 巫邓炎)