被踢出的球为什么会迅速升降 ?
又为什么会“拐弯”呢?
首先我们来了解一下任意球
任意球 是啥 ?
任意球是罚球的一种 。它是一种在足球(或手球)比赛中发生犯规后重新开始比赛 的方法 。
任意球分两种 :直接任意球,踢球队员可将球直接射入犯规队球门得分;间接任意球 ,踢球队员不得直接射门得分 ,球在进入球门前必须被其他队员踢或触及。判罚前场任意球后会使用一种泡沫喷剂划定球的摆放位置 ,以及人墙 的站位 ,发任意球时需要用手触球,然后在裁判哨响后踢球。
香蕉球 ?能吃吗?
事实上,C罗踢出的这种任意球在足球比赛中并不少见 。
在1997年 ,在巴西对法国 的一场足球比赛中,巴西足球运动员Roberto Carlos ,在没有通向球门的直接路线的情况下,从35米外开出一个任意球 。他 的射门使球飞过球员,并在快要出界的时候急转向左,砸入球门 。
图源 :网络 香蕉球图解
球的突然拐弯让在场球员,特别是法国守门员根本来不及反应 。这个史上最漂亮,最具标志性和最违反物理学定律的任意球,被叫作“香蕉球” 。法国物理学家对此研究了数年,终于用“马格努斯效应”解释了这个问题。
马格努斯效应
图源网络
当一个旋转物体 的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时 ,在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成 的平面相垂直 的方向上将产生一个横向力。在这个横向力 的作用下物体飞行轨迹发生偏转 的现象 。这 是流体力学中 的一种现象 。
图源 :陕西师范大学物信院 马格努斯效应示意图
旋转物体之所以能在横向产生力的作用 ,是由于物体旋转可以带动周围流体旋转,使得物体一侧的流体速度增加,另一侧流体速度减小。
是不是听得云里雾里 ?
香蕉球轨迹
球在气流中运动时 ,如果其旋转 的方向与气流同向 ,则会在球体的一侧产生低压,而球体 的另一侧则会产生高压。运动员 的用力方向朝右,所以足球逆时针旋转。拐点处足球左侧产生低压 ,右侧产生高压,这样就导致足球存在横向 的压力差 ,并形成向左侧的力。
图源 :NKPhysics
根据物理公式,距离越远,速度越慢 ,球偏离角度也就越大 。因此,我们能看到在香蕉球运行的末尾时刻,会发生更剧烈的偏转,给守门员一个巨大 的“惊吓” 。
我也能踢出和C罗一样 的球吗 ?
回到文章开头提到的C罗“力挽狂澜”的任意球 ,这一球不止踢出了上述“香蕉球” 的概念,同时也混合了“电梯球”,即指大力踢出的足球 ,下落很快 ,像是从电梯上下坠,它实际上是高速飞行 的足球受到重力和大雷诺数阻力下 的运动轨迹 。
图源 : 中国物理学会期刊网 皮尔洛 的“电梯球”
葛惟昆教授解释说 :“踢出电梯球 的一大关键要素,就是球的初始速度要快 。”要踢电梯球,球的初始速度应该接近150公里/小时,没错,就 是一辆车在高速公路上狂飙 的速度 。
图源:科学世界
研究人员在进行场景模拟时发现,要想让100公里/小时以上速度 的任意球避开人墙(假定在距离约9米远 的位置有5名身高1.8米的对方球员并排)成功射门 ,球离开地面时与地面的夹角必须控制在15°~17°之间,也就 是仅有2°的精度范围(在距离球门25米的位置,踢出转速为每秒8转 的侧旋弧线的情况) 。
如果是足球 ,以每小时90千米的速度每秒旋转8转,球会在这个距离内弯曲3米以上 。
图源见水印
而踢出弧线的关键在于 ,落脚点在偏离球心 的位置 ,偏离球心的幅度越大 ,球的转速越快。有研究人员称,安德烈亚皮尔洛等优秀 的任意球球员会使球的旋转轴倾斜角度大于侧旋,让马格努斯力倾斜向下发挥作用 ,从而踢出“球速快、大幅弯曲 的同时又急剧下沉 的”球路。
资料来源:科学世界 、中国物理学会期刊 、科技日报 、天津科普说 、NKPhysics
整理:董小娴
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