在一般人的意識(shí)里，足球似乎越圓、球面越光滑就越好踢，但事實(shí)上往屆世界杯用球曾因太圓、太光滑而被吐槽，這是為什么？本屆世界杯頻爆冷門會(huì)不會(huì)也與所用足球“電視之星18”有關(guān)？其實(shí)，比賽中每一次精準(zhǔn)的傳球、精彩的射門都可以用科學(xué)來(lái)詮釋。

當(dāng)物理學(xué)視角和足球碰撞，就擦出了一些別樣的火花。

越圓越光滑就越好？足球沒你想象中那么簡(jiǎn)單！

通常人們認(rèn)為，球越圓、球面越光滑，在飛行過(guò)程中球面與大氣的摩擦就越少，同等用力的情況下理應(yīng)飛得更遠(yuǎn)。但事實(shí)上在同等條件下，布滿小酒窩的高爾夫球在飛行中所受到的阻力只有光滑球的一半，飛行距離是光滑球的5倍。

為什么粗糙球比光滑球飛得更遠(yuǎn)？這可以用流體力學(xué)來(lái)解釋。

大氣阻力分為摩擦阻力和壓差阻力。物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，前后壓力差所帶來(lái)的阻力就是壓差阻力。想減少壓差阻力，一個(gè)最有效的辦法是減小物體后方的低壓區(qū)面積。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光滑的球與布滿小酒窩的球相比，后者產(chǎn)生的低壓區(qū)面積更小。球上的無(wú)數(shù)小酒窩可以起到讓空氣緊貼球面的作用，這使得平滑的氣流能順著球體表面延伸到更靠后的位置時(shí)才產(chǎn)生分離。

傳統(tǒng)足球由32塊五邊形或六邊形的皮塊組成，而蜂窩狀的足球自2006年德國(guó)世界杯開始有了突破性的變化。

當(dāng)年德國(guó)世界杯比賽用球“團(tuán)隊(duì)之星”采用全新的異形拼塊和無(wú)縫壓合技術(shù)，史無(wú)前例地將足球球面拼塊減少到14塊，最大程度地消除了球體表面不規(guī)則的凹凸，令球體呈現(xiàn)完美圓弧。2010年南非世界杯，“普天同慶”僅用8塊外表皮組成，并以熱黏合技術(shù)拼接完成，從而使其較以往更圓，堪稱歷屆最圓足球，但這個(gè)最圓足球卻因低進(jìn)球率而廣受詬病。

物體在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，一層相對(duì)靜止的薄空氣會(huì)環(huán)繞在它周圍。當(dāng)球慢速飛行時(shí)，空氣從足球表面平滑地流過(guò)，形成互不干擾的空氣層，這種狀態(tài)被稱為層流，這時(shí)空氣會(huì)在球兩側(cè)直線距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)分開，造成更大的空氣阻力。相反，當(dāng)球高速飛行時(shí)，空氣就會(huì)在球的表面形成混亂湍流，這時(shí)風(fēng)會(huì)沿著球的曲線“包”住球后部，球后方低壓區(qū)變小，壓差阻力變小，球在空中能飛行更久。飛行的物體周圍的空氣由湍流變?yōu)閷恿鲿r(shí)有一個(gè)臨界點(diǎn)，不同粗糙度的足球有不同的臨界點(diǎn)。而空氣不同流動(dòng)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)化會(huì)使球受到更大的空氣阻力，造成出乎意料的晃動(dòng)和下墜。

“普天同慶”很光滑，總縫線長(zhǎng)度很短，約203厘米。經(jīng)過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其湍流和層流的臨界點(diǎn)在72～80公里/小時(shí)，而這恰好是角球和任意球的速度范圍。

于是，在空中飛行時(shí)詭異莫測(cè)的“普天同慶”讓擅長(zhǎng)遠(yuǎn)距離長(zhǎng)傳轉(zhuǎn)移的隊(duì)伍吃了不少苦，善于地面短傳的隊(duì)伍則占盡便宜；守門員必須預(yù)測(cè)球的走向來(lái)堵截它，而不時(shí)出現(xiàn)“超自然”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的“普天同慶”讓守門員很難調(diào)整到理想的堵截路線……

有了前車之鑒，2014年巴西世界杯用球“桑巴榮耀”縫線總長(zhǎng)度達(dá)327厘米，球面縫線接合處的深度是“普天同慶”的3倍多，增加縫線長(zhǎng)度以及縫線的深度就是為了增加足球的粗糙度。這樣足球就能飛得更遠(yuǎn)，高速射門時(shí)產(chǎn)生晃動(dòng)和下墜的情況也就越少。

那么本屆世界杯用球“電視之星18”表現(xiàn)究竟如何？

“電視之星18”由6塊熱融合在一起的皮塊組成，被人稱為足球比賽中最完美的皮球。其接縫總長(zhǎng)度約430厘米，比“桑巴榮耀”還長(zhǎng)了30%。但為避免太粗糙，“電視之星”的縫線深度有所減小。

風(fēng)洞試驗(yàn)顯示，足球皮塊的數(shù)量對(duì)空氣阻力會(huì)產(chǎn)生影響，6塊皮的足球空氣阻力最低，32塊皮的足球次之。6塊皮和傳統(tǒng)的32塊皮的足球可展現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定及有規(guī)律的飛行路線。

一個(gè)物理學(xué)團(tuán)隊(duì)研究了“電視之星18”的空氣動(dòng)力學(xué)屬性，發(fā)現(xiàn)它比“桑巴榮耀”更先進(jìn)，其周圍的空氣轉(zhuǎn)化為層流的臨界點(diǎn)為61.2公里/小時(shí)，所以球速不會(huì)在踢角球、任意球和長(zhǎng)傳球的時(shí)候產(chǎn)生太大變化，讓球更可控。“電視之星18”在更高速飛行時(shí)會(huì)遇到更大阻力，預(yù)測(cè)在長(zhǎng)傳球時(shí)會(huì)少飛行8%或9%的距離。

雖然球的飛行距離可能短一些，但“電視之星18”各方面的性能更加均衡。它有更長(zhǎng)的球縫以及更有規(guī)律的球塊結(jié)構(gòu)、突起和球縫形狀，所有這些元素使足球不管怎么轉(zhuǎn)動(dòng)都露出同樣長(zhǎng)度的球縫，因此它飛行時(shí)更穩(wěn)定。

在經(jīng)過(guò)了眾多研究、吸取了之前的慘痛教訓(xùn)后，在這屆世界杯上出現(xiàn)的奇怪的傳球和糟糕的射門，就不能怪足球了。

本屆世界杯中，葡萄牙和西班牙相遇的小組賽可謂高潮迭起。C羅在最后時(shí)刻力挽狂瀾，踢出被解說(shuō)員嘆為“翩若驚鴻，宛若蛟龍”的“C型”任意球，扳平比分。

球被踢出了一條非對(duì)稱軌跡，同時(shí)它也在側(cè)旋，這是一個(gè)電梯球和香蕉球的混合球。踢出電梯球的一大關(guān)鍵要素就是球的初始速度要快，應(yīng)該接近150公里/小時(shí)。

對(duì)電梯球的研究始于法國(guó)巴黎理工大學(xué)的物理學(xué)家，他們研究的主要結(jié)論為：針對(duì)不同的發(fā)射速度，通常可以觀察到兩種不同的軌跡。對(duì)非旋轉(zhuǎn)球體，起始速度小于末端速度時(shí)，球體軌跡為經(jīng)典的伽利略拋物線；而當(dāng)起始速度遠(yuǎn)大于末端速度時(shí)，球的軌跡為塔爾塔利亞的非對(duì)稱曲線，球會(huì)在下落時(shí)急墜。

這是因?yàn)榍蛟诳諝庵羞\(yùn)行時(shí)受到的空氣阻力與其速度的平方成正比。球的速度越快，必然遭到更大空氣阻力的攔截。通俗來(lái)講，飛得越快，跌得越狠。

香蕉球因球的運(yùn)動(dòng)軌跡是類似香蕉的弧形而得名。

6月30日晚，在阿根廷對(duì)陣法國(guó)的八分之一決賽中，法國(guó)隊(duì)帕瓦爾踢出了一腳“世界波”。這是一個(gè)外腳背遠(yuǎn)角外旋弧線球，乍看之下球直往門柱外而去，但又在最后時(shí)刻一個(gè)“風(fēng)騷走位”轉(zhuǎn)入門內(nèi)，直掛球門死角。

在難以預(yù)估的飛行路線背后是著名的馬格努斯效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)角速度矢量與物體飛行速度矢量不重合時(shí)，在與旋轉(zhuǎn)角速度矢量和平動(dòng)速度矢量組成的平面垂直的方向上將產(chǎn)生一個(gè)橫向力。受這個(gè)橫向力的推動(dòng)，球的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樾D(zhuǎn)矢量與速度矢量叉乘的矢量方向。

球在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生自旋，帶動(dòng)周圍氣體運(yùn)動(dòng)，一側(cè)氣流速度大，一側(cè)氣流速度小，產(chǎn)生壓力差也就產(chǎn)生了力。如果球員想讓球最終偏向左邊，他可以巧妙地給球一個(gè)向右的初始力，同時(shí)使球旋轉(zhuǎn)。根據(jù)物理定律，距離越遠(yuǎn)，速度越慢，球偏離角度也就越大。因此，我們能看到在香蕉球運(yùn)行的末尾時(shí)刻會(huì)發(fā)生更劇烈的偏轉(zhuǎn)，給守門員一個(gè)巨大的“驚嚇”。

落葉球和香蕉球的原理相同，只不過(guò)它是豎直旋轉(zhuǎn)，看起來(lái)飄飄然飄向上空，結(jié)果又轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)進(jìn)球門，就是“不走尋常路”。

世界杯進(jìn)入淘汰賽階段之后，點(diǎn)球大戰(zhàn)不可避免。哥倫比亞對(duì)英格蘭的點(diǎn)球大戰(zhàn)尤為吸睛，因?yàn)橛⒏裉m在過(guò)去7次正式比賽的點(diǎn)球大戰(zhàn)中輸了6場(chǎng)。

不過(guò)這一次，“三獅軍團(tuán)”成功破除點(diǎn)球魔咒，拿下哥倫比亞。

點(diǎn)球是個(gè)“磨人的小妖精”，連大牌球星也不免罰丟點(diǎn)球。有科研人員研究過(guò)，選擇距離球門約10.8米的地點(diǎn)罰球是有講究的。

如果罰球距離為零，那么守門員只要站在球的正后方就可以阻止進(jìn)球；當(dāng)罰球點(diǎn)距離門線2.7米時(shí)，得分概率幾乎可以達(dá)到100%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，罰球點(diǎn)距離球門10.8米時(shí)，進(jìn)球概率為70%。

一般來(lái)說(shuō)，距離球門越近，罰點(diǎn)球進(jìn)球概率越高。不過(guò)，如果和守門員距離過(guò)近，球員的進(jìn)球線路很容易被封住。比賽中，當(dāng)球門前出現(xiàn)單刀時(shí)，守門員常會(huì)當(dāng)機(jī)立斷出擊，縮短與足球之間的距離，以便封堵射門。

點(diǎn)球大戰(zhàn)考的不僅是守門員和球員。2006年世界杯上，在德國(guó)與阿根廷的點(diǎn)球大戰(zhàn)之前，德國(guó)門將萊曼得到了來(lái)自守門員教練的神秘錦囊——一張小紙條，上面寫著阿根廷主罰球員的罰球習(xí)慣。這張小紙條成就了一場(chǎng)經(jīng)典點(diǎn)球戰(zhàn)。