看到這個標題之後,我知道你很有可能覺得我瘋了,或者覺得我無聊到無可救藥。
巴西世界盃用球「桑巴榮耀」
球迷常說一句話:足球是圓的,足球場上任何事情都可能發生。雖然至今我沒理解這兩段話之間有什麼因果關係,但這是其次的。主要問題在於,這句話的前半部分,讓我多年以來充滿了疑問。世間萬物都各有其原因,可我們常常接受了「常識」的定義,卻很少去問幾個為什麼。
那麼,足球到底為什麼是圓的?
其實,這個問題不是特別嚴謹。足球既然叫球,它其實是一個類似球體的東西,不能簡單稱為「圓的」,這是平面和幾何的區別。所以,這個問題如果嚴謹地問,應該是:為什麼足球是一個球體?
首先,我們從足球本身的使用角度上看——換句話說,就是足球這東西存在的意義是什麼。
足球是用來踢的,踢球者的腳會和足球有接觸。踢球者的目標,是用腳對足球施加一個力,讓足球朝著自己想要的方向行進。
足球作為一個球體,是基本沒有稜角的。這樣,當腳與足球接觸的時候,接觸面積會相對較大(理論上,一個球體和一個平面的接觸只有一個點。但是,人的腳不是一個絕對的平面,足球也不是絕對的球體。尤其用腳弓接觸球的時候,會接觸到相當大的面積)。這樣一來,人的腳部受到的壓強會相對較小。
踢一腳鐵蒺藜絕不會讓你感到愉悅
如果足球是其他形狀的,人的腳在觸球時不可避免會接觸到它的稜角。稜角和腳的接觸面積相對較小。在施加相同壓力的情況下,會對人的腳造成相對較大的壓強。
接觸面積一定的情況下,壓力越大,壓強也就越大。壓力一定的情況下,接觸面積越大,壓強越小。通俗地講,就是你用同樣大小的力氣去踢,踢到非球形的東西,你更有可能會感到疼。
足球的魅力之一,就是各種漂亮的傳球。一些青少年足球教練經常告訴孩子,要減少帶球,多傳球。他們往往是這麼說的:
「你不可能比球跑得更快!所以不要總是自己帶球跑,要讓球跑起來!」
那麼問題來了,為什麼足球會比人跑得快?
我們知道,一個物體在另一個物體的表面上,如果給它施加一個力,讓它運動,阻礙它運動的是產生的摩擦力。而球體的滾動,產生的是滾動摩擦;其他形狀的物體,產生的往往是滑動摩擦。
想徒手運走這些圓木,放在地上滾動是最省力的
嚴格意義上,「滑動摩擦」和「滾動摩擦」不是一個性質的東西,無法直接比較誰大誰小,也不能武斷地說「滑動摩擦大於滾動摩擦」。但是根據生活經驗,我們可以判斷,滾動總是比滑動要省力。擱淺在沙灘上的船隻,如果用手強行推移,會非常費力;如果在地上鋪設一排排圓木,把船抬到圓木上,就能較為輕鬆地利用圓木的滾動移動船隻。
而球狀物在平面上的運動,產生的是滾動摩擦。因此,球狀物體在滾動過程中會保持較快的速度,並在受力後可以維持較長時間的運動狀態。
在足球場上,任意球有許多踢法。你可以用內腳背拉出一道完美的弧線,也可以猛擊球的中下部,正腳背向上提拉,讓球越過人牆後急速下墜。這些具有美感的射門,只有圓球狀的物體才能做到。當你沒球踢的時候,拿一個礦泉水瓶子踢,連射門走向都不好控制,怎麼可能用一個水瓶踢出弧線球和電梯球?
貝克漢姆,主罰弧線球的大師
弧線球的成因其實很簡單:當你用內腳背踢球的一側(中下部)時,球在空中自轉的過程中,皮球兩側和空氣之間的摩擦力是不一樣的。摩擦力小的一側氣流快,產生壓強差,壓強較大一側的空氣會向壓強較小一側「補」過去,球也就自然隨之運動,劃出一道美麗的弧線。而你踢一個其他形狀的物體時,它在空中甚至無法形成較為規則的自轉。
足球一般是由32塊五邊和六邊形縫合而成的。而隨著科技進步,產生了熱粘合技術,也出現了只有8塊甚至6塊面板粘合的足球。2010年南非世界盃的用球「普天同慶」,用的就是8塊面板粘合。而2014年巴西世界盃用球「桑巴榮耀」,用的是6塊面板。
面板越少,縫隙就越少,球就越來越圓。但是,我們如果仔細觀察就會發現:這兩款球的表面上,都有細小的、密密麻麻的顆粒狀物體。這是用來幹什麼的呢?
越圓的球體,在空氣中飛行的阻力越大。表面越粗糙的球體,則可以通過它的粗糙表面減少空氣中的阻力(球的縫隙和空氣的摩擦力大,球面和空氣的摩擦力小,會產生壓強差)。所以,越圓的足球,在飛行時越不容易旋轉,越有可能在空中急速下墜,讓守門員叫苦不迭。這也就是為什麼「電梯球」的踢法近年來越來越多,這和皮球越來越圓有關。在上個世紀,你想拿32塊縫合的足球踢出電梯球來,是很難做到的。
C羅主罰電梯球前的標誌性站立動作
國際足聯為了鼓勵進攻,把世界盃的比賽用球做得一款比一款圓、一款比一款輕。但這樣一來,球經常在空中亂飄,飛行軌跡詭異,讓門將非常不滿,進攻球員也很難掌握它的軌跡。所以,在這種很圓的皮球上加上一些顆粒,就是為了讓它的表面更粗糙一些,不要變得過於難以捉摸。
南非世界盃用球上有顆粒物凸起
當然,並非所有球類運動的球都是圓球狀。橄欖球就是橢圓形的。但是,這個形狀,和橄欖球的產生以及競賽規則有著很大的關係。
最初的橄欖球是用豬膀胱吹氣製成的。豬膀胱吹起來,就是一個橢圓的形狀。此外,橄欖球雖然也需要用腳踢,但大部分時間出現在運動員的手中。球員需要手持橄欖球完成衝刺、躲避、變向、擲出、接抓等動作,橢圓狀的外形有利於完成這些動作,它也就成了現在的形狀。
一個橄欖球
一口氣說完了這麼多,我們會發現,一些看似常識的東西,還是值得我們去細細探究一番。筆者畢竟不是物理專業出身,只能利用個人有限的認識和一些資料冒昧進行分析。以上所述如有謬誤或者需要補充的地方,還請不吝指出。