錚錚有聲|變化的足球軌跡和空氣動力學

2020-11-22 東方體育

錚錚有聲|變化的足球軌跡和空氣動力學

2018-07-18 18:15 　國家空間科學中心

作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

足球世界盃是精彩而殘酷的。多少足球運動員從小吃苦奮鬥、遠赴異鄉、日復一日的訓練、在激烈的隊內和比賽競爭夾縫中求得一線生機，希望在這一天站在世界足壇的最高舞臺上為國家榮譽而戰。但競技體育就是有輸有贏，狹路相逢勇者勝，再加上一點運氣，會決定這些同樣艱苦奮鬥至今的球員，是榮耀前行還是黯然結束，是歡呼的笑容還是悲情的背影，都在90分鐘的瞬息萬變中產生。這大概正是足球的魅力所在。

在這種情況下，任何一次射門、一次拼搶、一次定位球都彌足珍貴。本屆世界盃誕生了相當多的定位球進球以及精彩的遠射，例如羅納爾多挽救葡萄牙隊的任意球破門，例如託尼克羅斯禁區邊緣精彩的弧線射門，也有很多球被門將或者防守球員神勇化解，或是一些刁鑽的射門皮球距離球門只差毫釐，不由得讓球迷大呼可惜——假如那一球再往左飛幾公分呢？假如那一球再早下墜一點呢？也許比賽結果會大不相同。

94年世界盃義大利球星巴喬的點球高出了橫梁，只留下遺憾的背影

現代足球球員經過不懈的磨鍊，能夠射出足球飛行軌跡各種變化多端的射門，例如我們耳熟能詳的「香蕉球」、「電梯球」等，讓防守球員防不勝防；球迷朋友很多也努力的練習，希望自己也能踢出這樣帥氣的射門。那麼，足球為什麼會有這樣變化的飛行軌跡呢？

香蕉球」（bananaball）說的是足球中的弧旋球，或者叫弧線球。球員運用腳法踢出球後，球的飛行曲線是弧線，也就是會「拐彎」。弧線球可以繞開面前的防守球員，打到直線不能抵達的球門位置。

託尼克羅斯的絕殺射門同樣帶有一定的弧線

弧線球的「拐彎」利用到了流體的伯努利原理，也即是流體流速快的地方壓強小、流速慢的地方壓強大，如示意圖所示。皮球向前（圖中向下，所以空氣流體相當於向上流）飛，兩邊的空氣從兩側被分開，流速較快。當皮球如圖旋轉時，由於空氣粘性，緊靠球表面的空氣隨球一起旋轉，因為與流線方向不同產生了左右不對稱，圖中左邊的流速相對較快，右邊較慢，就因為右邊壓力大、左邊壓力小形成一個向左的力，這種旋轉物體的橫向受力稱為「馬格努斯效應」（MagnusEffect）。貝克漢姆的弧線球非常有名，足球球迷將其稱之為「圓月彎刀」。利用這種踢法，可以在繞過人牆的情況下命中球門的上角，讓守門員「鞭長莫及」；在傳中的時候，也可以繞過前邊球員封堵，讓球恰好飛到門前隊友的包抄位置。

「馬格努斯效應」在現代飛行器中也非常重要。我們的火箭、飛彈，很多時候為了提高飛行穩定性也帶有旋轉，但是這時候也會有「馬格努斯效應」，需要進行考慮。

流體中旋轉前進（向下）的足球因為流體壓力而受到橫向的力

相關焦點

  • 發現石墨烯「聲子」流體動力學、高溫熱導率和第二聲現象!
    這種性質隨溫度和厚度的變化而演變，揭示了高電導率、厚度和聲子（以聲波觀察到的原子振動）流體動力學之間的密切聯繫。研究記錄了室溫下石墨（8.5 m厚度）的熱導率（K）為4300W/m·K，這個值遠遠高於鑽石的記錄，略高於同位素提純的石墨烯。
  • 空氣動力學基礎
    空氣密度與高度和天氣有關。在高海拔和高溫環境中飛行時，由於空氣密度比貼近海平面和低溫環境中的密度要小，要得到相同的升力就必須飛得更快一些。空氣的溼度也會影響密度，乾燥的空氣比潮溼的空氣更加稠密。熱空氣因為比周圍的空氣更加潮溼而上升，所以滑翔機飛行員經常會利用上升的熱氣流進行空中的滑翔。
  • 飛機機動在空氣中的動力學受力
    該手冊對於想要學飛行的學生和需要更高級證書的飛行員有很大的用處。 飛行中的空氣動力在轉彎，爬升和著陸等飛行機動過程中引入飛機的力量儘管在建立的爬升過程中飛行軌跡發生了變化，但與傾斜軌跡相對應的機翼迎角仍恢復到了升力時的實際值。
  • 年近耄耋的清華教授,告訴你學術與足球的正確交流方式
    不論是射門、長傳還是解圍，足球球體的運動，從物理學的角度來看， 就是一個彈性球體在空氣中運行的典型的空氣動力學問題。用公式和數字來研究那些藝術品一樣的綠蔭神來之筆可能會有些無聊，但是科學研究，也是足球技術發展的一大重要因素。這其中最經典的兩個話題，無疑是香蕉球和電梯球。
  • 【學術報告】「空氣動力學及氣體動力學在工業領域中的一些應用...
    報告人：單希壯 研究員報告題目：空氣動力學及氣體動力學在工業領域中的一些應用報告人1983年本科畢業於北京航空航天大學空氣動力學專業，博士研究生師從中國科學院俞鴻儒院士。他先後在中航集團中國航空空氣動力研究院、中國科學院力學研究所及同濟大學等單位從事風洞實驗技術、氣體動力學工業應用、高速列車及汽車空氣動力等領域的研究工作，在跨聲速風洞洞壁幹擾、氣動方法裂解製取乙烯、熱分離器技術、工業廢鹼回收技術、壓電式壓力傳感器技術以及高速列車動模型實驗技術等方面均有很深造詣。
  • 從空氣阻力牆理論 解析C羅鬼魅電梯球
    近日，在中國物理學會期刊網發表的一篇文章中，用詳細的物理學公式和函數圖像，為大家展現了任意球的行進原理。　　現代足球不但在規則和比賽陣型等技戰術層面有了長足的發展，而且在技術上也有許多改進和創新。「香蕉球」和「電梯球」就是兩個極具魅力和美感的踢球方式，並經常在足球比賽的實戰中發揮威力。「香蕉球」是指足球飛行中在與地面平行的方向發生偏轉，偏轉運行的軌跡呈弧線形，可以繞進球門。
  • 風洞與空氣動力學剪不斷的關係
    關係可是槓槓滴，當物體通過風洞測試後將會得出一系列的實驗數據（光是受力特性就有：升力、阻力、橫向力等等，以及氣體流動的變化情況等等），讓那高逼格的空氣動力學得以實現。 其中早期汽車用的風洞大多是從航空風洞改造過來，而當中的許多空氣動力理論和概念也是從航空力學延續過來的，所以目前分有三大類風洞結構類型：直流式、回流式和立式風洞。
  • 技術 | 為什麼要研究汽車空氣動力學標準模型?
    但是藉助汽車空氣動力學模型對汽車空氣動力學的認知，可以弄清（6）基本含義，為確定最終的優化指標提供服務。1）理論指導。通過對汽車空氣動力學模型的研究，定性了解車身繞流流體的物理性質、規律，了解車身形狀改變可能對流動特徵的影響，從而了解對氣動力的影響。
  • 你家貓咪會咕嚕咕嚕的叫嗎 這是一種空氣動力學哦
    有的時候細心的貓主人總是會聽到貓發出咕嚕咕嚕的聲音，這種聲音來自貓咪的喉部，是一種空氣動力學的現象。一般是貓咪在放鬆和舒服的時候都會發出咕嚕咕嚕的聲音。其實這種聲音來自貓咪的喉部，是一種空氣動力學的現象。對於貓咪來說，這種呼嚕呼嚕的行為是先天性的，就像嬰兒天生就會哭，出生就會吸奶是一樣的。剛剛出生的貓咪，就已然學會用呼嚕呼嚕的聲音表達一些情緒了。小貓發出呼嚕聲可以讓母貓更好地對它進行照顧。所以貓會在很舒服很放鬆或者進食的時候發出呼嚕聲。
  • 大家都知道足球是圓的,可足球為什麼是圓的?
    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。
  • 從可必特混加看理化相容性、空氣動力學特性和遞送性能
    臨床上，可必特（包括異丙託溴銨和硫酸沙丁胺醇）、布地奈德、倍氯米松、N-乙醯半胱氨酸等廣泛用於治療哮喘和慢性阻塞性肺疾病等呼吸道疾病[2]。如果將這些不同的吸入溶液/懸浮液混合後使用，可以簡化給藥程序和時間，但是，混加後的藥物的理化相容性、空氣動力學特徵及遞送性能等方面是否穩定仍是目前需要研究的問題[3]。
  • 足球真沒你想得這麼簡單!
    傳統足球是由32塊五邊形或六邊形的皮塊組成，而這種蜂窩狀的足球自2006年德國世界盃開始有了突破性的變化。相反，當球高速運行時，空氣就不會分成層，而是亂作一團，在球的表面形成混亂湍流，這時風會沿著球的曲線「包」住球後部，球後方低壓區變小，壓差阻力變小，球在空中能更久飛行。而飛行的物體周圍的空氣由湍流變為層流時有一個臨界點，不同粗糙度的足球會有不同的臨界點。而空氣不同流動狀態間的轉化會使球受到更多空氣阻力，造成出乎意料的晃動和下墜。　　由於「普天同慶」很光滑，總縫線長度很短，約203釐米。
  • 了解汽車空氣動力學 你就知道為何汽車不是方的
    我們所說的空氣動力學其實嚴格意義上應該稱之為汽車空氣動力學，它是空氣動力學的一個分支，主要研究汽車與周圍空氣在相對運動時的相互作用力關係和運動規律，用來解決空氣動力性能、行駛穩定性、操縱性和氣動噪聲等問題。
  • 跑高速發飄之謎 解讀汽車空氣動力學
    空氣，這種看不見摸不著，無處不在卻又被我們忽略的東西隱藏著什麼？毫無疑問，空氣擁有著巨大的力量，它能輕而易舉摧毀人類的城市，卻又能為我們的生活帶來清爽。空氣對汽車有何影響？今天，教授打算與大家聊聊有關空氣和汽車的那點事，在接下來的文字中，大家將會對空氣動力學有一個初步的認識，也希望大家在看完文章後，對這股隱形的力量，能有新的認識。
  • 努力掌控航天技術的跨流域空氣動力學
    6月13日，第九屆光華工程科技獎頒獎大會在京舉行，中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所、國家計算流體力學實驗室研究員、博士生導師李志輝潛心研究跨流域空氣動力學，在飛行器往返大氣層稀薄流到連續流跨流域高超聲速氣動力/熱關鍵技術問題方面取得系列創造性成果，為載人航天工程領域多類飛行器氣動研製作出顯著應用成效和社會效益，榮獲光華工程科技獎「青年獎」。
  • 淺談無人機上用到的空氣動力學知識
    無人機或者飛機在飛行過程中，都會受到空氣阻力的影響，這種影響如果不進行消除有可能給飛行帶來很大的動力損耗，甚至對飛機的控制產生不可預料的結果。而在無人機上，不僅僅是在外形，在內部控制上，空氣動力學更是需要在設計過程中非常注意的方面。本文從理論方面介紹無人機設計中用到的空氣動力學知識。
  • 汽車空氣動力學標準模型研究現狀與分析丨AutoAero201922期
    這無疑會影響我國汽車空氣動力學的研究，影響汽車行業的溝通和交流，限制了我國汽車空氣動力學研究和設計水平的提高，影響2020年乘用車百公裡油耗5升以下的目標實現，甚至影響整個中國汽車工業的發展。 二、汽車空氣動力學標準模型 迄今為止，國外已經發展了多種汽車空氣動力學模型。
  • |賽車空氣動力學 P5
    Author / 蟹爪朝天在《賽車空氣動力學》這個系列中，我們放棄那些複雜的公式，只來簡要說一些和賽車有關的空氣動力學原理，以及在車輛設計、調校中對空氣動力學的實際應用。懸掛等部件產生的機械作用力主要在低速行駛中起作用。整車外形產生的空氣作用力主要在高速行駛中起作用。
  • 蘭博基尼Huracán EVO精妙的空氣動力學
    在Huracán EVO 後驅版車身呈現更加精妙的空氣動力學解決方案，亦彰顯蘭博基尼標誌性的設計DNA。強有力的外拓線條讓車身更具視覺張力：前部進氣口更寬，裝備了改進的空氣動力學系統。後部裝備了專門打造的全新後擴散器。標誌性的「Y」字型電子概念車燈與前分流器融合，成為車身空氣動力學設計的組成元素。