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【电梯球】物理无处不在 足球与物理,爱看足球的你真的懂其中的奥秘吗?

判定天地之美,分析万物之理。

2019年9月14日晚,英超2019/20赛季进行了第五轮争夺,切尔西客场5比2胜胜狼队中最精彩的进球是托莫里打进的世界波。

托莫里在外围得球后,30米开外直接起脚远射,球直接飞入球门左侧死角。
↑换个角度欣赏↑

我们可以发现球的行进轨迹有个急转弯,守门员也被这一脚球向左晃了一下。

托莫里这记漂亮的进球称之为香蕉球。可你真的知道香蕉球究竟是什么个原理呢?这与电梯球和落叶球有什么区别呢?

接下来就由我带领大家在欣赏一粒粒精彩进球的同时,一起探寻这其中蕴含的物理知识。

                    香蕉球

托莫里这记漂亮的进球称之为香蕉球。因为球的运动轨迹是弧形的,类似香蕉形状,因此以“香蕉球”得名。贝克汉姆就以擅踢香蕉球著称,有“贝氏弧线”的美誉。


世界杯预选赛对希腊队比赛的伤停补时阶段,贝克汉姆凭借一个任意球破门挽救了球队,帮助英格兰队与对手2:2战平,并取得了参加世界杯决赛阶段比赛的资格。
↑换个角度欣赏↑
球像装的导航一样,越过人墙直入球门。
来自巴西的罗伯特·卡洛斯一脚“天外飞仙”
要论弧度,有史以来弧度最大的任意球,当属荷甲哥德堡队尼尔森这一脚世界波。

我们可以看到香蕉球最大的一个特点就是它有着巨大的弧度,也就是高速的旋转。

从空气动力学角度来解释,旋转的足球是由于受到侧向力的推动而发生了偏转,而侧向力是基于空气动力学中著名的马格努斯定律。

球员在踢球的一刹那,通过摩擦使足球产生旋转。当足球在空中一边飞行一边自转时,也会带动周围气流旋转。

足球与气流方向相反空气流速慢、压强较大,下部空气流速较快、压强小,从而产生一个垂直运动方向的侧向力。

球的一侧,旋转产生的气流和飞行中的相对气流的方向相同,气流速度加快;另一侧,旋转产生的气流和飞行中的相对气流的方向相反,气流速度减小。

从空中俯视球场,足球由左向右飞行并呈顺时针旋转,这个侧向力就是使球快速的旋转的秘密所在。这类似于飞机飞行中气流对飞机产生的力。

图片来源于网络

                    电梯球

说起电梯球,人们最容易想到俄罗斯2018年世界杯小组赛西罗对阵西班牙,帮助葡萄牙挺进16强。

球的初速度很快,到了门前突然下坠

仔细看球的轨迹,球在空中没有像香蕉球那一般急速的旋转,并且在球在空中出现飘忽的状态

这就是电梯球,跟香蕉球(弧线球)截然不同,球本身没有旋转,初始速度很快,迅速上升且突然下坠。球很快地呈斜线往上飞,又以更大陡度急坠,好像电梯急上急下,因此被人们形象地称为电梯球。

2012年,世界上很有名的物理学家Cohen和他的学生发表过一篇论文,详细解释过电梯球的物理原理。

Cohen教授对电梯球急速下坠的解释

Cohen教授认为,对非旋转球体,当起始速度小于末端速度时,球体成抛物线运动,而当起始速度远大于末端速度时,球下落时急坠。

其实用简单的物理知识来解释也很简单。因为空气阻力跟物体速度平方成正比,当物体速度越快,那么所受阻力也就越大。电梯球的初始速度要很快,踢出后,球本身受到空气阻力也会突然增大,而且短时间会把球在水平方向的力消耗掉,这时足球就会主要受重力影响,迅速下落。

Cohen教授对电梯球的研究|U 0是指初速度      U ∞是指末速度

如图所示,左边这个初速不太快,它的下落是比较平缓的;而当初速和末速比值到达100时,球在后面出现了急坠。

                    落叶球

落叶球,在半空中左飘右飘,下坠速度快的射门。因为当用力踢皮球的中心部位时,它就会朝一个方向飞去,当靠近球门时会突然下坠,就如一片枯叶从树上落下,所以人们习惯把这种球称之为落叶球。

2012年意甲联赛国际米兰队员大卫·法拉奥丽一脚精彩的落叶球
2014年困际足球友谊赛,中国队郑智打入一粒落叶球。
2014年巴西世界杯,巴西队后卫大卫·路易斯的一脚落叶球,震惊四座

落叶球的理论基础是,马格努斯效应——速度越快、球体直径越小、晃动频率就越高,所以在球急速运动时,它在气流中有一定摆动,有点飘忽不定,就是所谓涡街作用。

最后说明一下,这篇文章是我一直都很想写的。在暑假找了很多素材,但是没有平台发表,在偶然的一次机会,发现的B站新开设了学习区。在此,非常感谢b站提供这个平台,可以在自己写文章的同时,不断提升自己。

图为贝克汉姆

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