普天同庆足球 足球越光滑飞得越远？这样的足球才是守门员的噩梦

在谈足球之前，先说高尔夫，因为它有一个惊人的现象:高尔夫球越滑，飞得越远。

差别能有多大？在等力的情况下，粗糙球的飞行距离可以是光滑球的5倍！

这真的违背了人们正常的认知。我们都认为球体是最完美的形态，表面越光滑，球体在飞行过程中与大气的摩擦力越小，用同样的力应该能飞得越远。

但是，高尔夫不是这样。

之前比赛用的高尔夫球都是先用羽毛填充，再用皮革包裹，很难做成标准的球。1898年以后，高尔夫球的材质逐渐被橡胶所取代，但此时人们发现了一个奇怪的现象:球用的时间越长，打得越远。

这引起了当时人们的好奇。经过摸索，终于找到了原因。本来橡胶做的新球表面很光滑，但是用久了，表面的橡胶不是有些地方裂开了，就是有些地方磨损了。简而言之，球面相当粗糙。

这让人们意识到高尔夫球的表面越粗糙，它就能走得越远。所以高尔夫的表面不再光滑，而是布满了无数的“小酒窝”。

照片作者:沃尔夫

高尔夫的变化(图片来自1919年出版的《高尔夫50年》)

现在出售的高尔夫球表面大约有250-450个“酒窝”，最高纪录是一个球上有1070个酒窝。

在浙江大学任教38年的毛根海教授在他的《奇妙的流体运动科学》一书中有这样一个数据:

相同条件下，飞行中有小酒窝的高尔夫球阻力只有光球的一半，飞行距离是光球的五倍。

问题是，为什么粗糙的球比光滑的球飞得远？原因很简单。先举个例子。

1968年阿波罗8号宇宙飞船返回地球大气层的示意图(图片来自美国宇航局)

如上图，飞船返回地球大气层时，由于速度极高，飞船前端与大气层发生剧烈碰撞，压力极高。相反，后面空室的压力很小，因为飞船高速下落时会排出空气体，后面空气体更少，所以压力当然小。但是，当后压力很小时，就会产生吸力。

物体在流体中运动时，前后压差产生的阻力称为“形状阻力”。

为什么现代核潜艇都采用“水滴”形？这也是为了减少形状阻力。

核潜艇哪里跑的更快？深海还是海水？之前很多人都错了，我们讨论了潜艇经常使用“水滴”形状的原因。

如上图，顶部垂直板的形状阻力最大，因为它后面的“低压区”面积最大，第二个球体的低压区缩小为底部的水滴状，其形状阻力最小。

也就是说，在相同的条件下，减小阻力最有效的方法之一就是想办法减小它后面的低压区面积。

但是高尔夫球不能像核潜艇一样做成水滴。我该怎么办？通过流体力学实验，发现光滑球的低压面积比小凹坑球小。

航空图片/航空航天工程师杰弗里·斯科特.

球上有无数个小酒窝，能使空空气紧贴球面，使平滑的气流在分离发生前沿球表面延伸到更靠后的位置。

守门员的噩梦

庆祝全世界(肖恩·史密斯照片)

“庆祝全世界”，这是2010年南非世界杯的指定球，也是被诟病的足球。

“就像精神病一样。”有玩家这么说。

“这个球是超自然的。它的轨迹很奇怪，好像不喜欢有人踢它。”有玩家这么说。

“一言为定！”有玩家这样声讨。

…………

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毫无疑问，庆祝全世界足球是最近几届世界杯最受诟病的足球。

刚发布的时候，厂家宣传球只用8皮拼接，完美包裹内衬。这是历史上最圆的足球。

不幸地...

"对于足球来说，最重要的一点是粗糙."当BBC采访空空气动力学家梅塔博士时，梅塔博士说，“粗糙度决定了蝴蝶球效应的最佳临界速度。”

所谓蝴蝶球，是指棒球比赛中的球道。其特点是投手投出的球速度一般，但这是为了尽量减少球在飞行中的旋转，从而造成不稳定和不可预测的轨迹。

如上图，一个拿着球棒的击球手面对飘忽不定的棒球，最后目瞪口呆。

足球中的“香蕉球”现象要求足球旋转足够快，这样足球才能绕过人墙，射进球门。

但棒球中的“蝴蝶球”效应要求投掷的棒球尽量不要旋转。为什么？

棒球(图片来自奥尔森. se)

棒球上有缝线。飞行中空气流过缝线时，会产生更多的紊流。由于左右不对称，湍流增加了棒球侧的偏转力。

图片来自Pallo valmiina

传统足球通常由32个用缝线拼接的球面组成。缝线的总长度和深度决定了足球的流畅度。针脚越多越粗糙。

常规足球通常以每小时48公里的球速产生最大的“蝴蝶球效应”。

但由于总线迹长度较短，庆祝一整天的足球成为当时最流畅的足球。空气动测试后发现，球速在80-88 km/h时，蝶泳球效会最大化，80 km/h左右的球速正好是投篮和任意球的典型球速。

这些都是全民批判庆祝的理由。

2014年巴西世界杯，指定球是“桑巴荣耀”。谢菲尔德哈勒姆大学的研究员小斌博士发现，桑巴因球形缝合处的深度而获得的荣耀是全民庆祝的三倍多。

另外，庆典的关节线总长约203 cm，而桑巴荣耀缝线总长高达327 cm。

增加缝线长度和深度的目的是为了增加足球的粗糙度。

小斌博士在接受BBC采访时表示:表面粗糙的足球飞得更远，高速拍摄时，蝴蝶球效应更少。

俄罗斯世界杯指定足球

图片来自гсстссссааовснисов

本届俄罗斯世界杯的指定球是“电视之星”(英文名Telstar 18)。显然，因为全民先庆足球的教训，新球“电视明星”应该不会再被明星骂疯了，卖本地货什么的了。

研究人员测量了电视之星的接缝长度，发现比桑巴荣耀的接缝长度长30%。为了避免过于粗糙，电视之星的接缝深度被减小了[2]。

“今年的球和之前的球不会有太大区别。”林奇堡弗吉尼亚大学的一名物理研究员说。

日本筑波大学的研究人员将新球放入风洞中进行实验，发现新球空的气动特性与桑巴荣耀相似。

如上，这次世界杯的球应该没问题。但是对于普通大众，尤其是男球迷来说，这个球最大的不足就是球面上的马赛克图案，太差了。

众所周知，马赛克是臭名昭著的。

最后祝大家游戏愉快！