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知識大圖解:足球物理學

2015/03/16 | |
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踢出完美自由球背後的科學原理

大衛.貝克漢(David Beckham)和克里斯蒂亞諾.羅納度(Cristiano Ronaldo,C 羅)因為擅長自由球而享譽盛名。無論是踢往球門邊角的弧線球或雷霆萬鈞的直球,自由球在現代足球占有重要份量。但科學與射門有什麼關係?

基本原理是馬格奴士效應(Magnus effect)。這個物理定理由德國物理學家海因里希.馬格奴士(Heinrich G. Magnus)提出,證明當氣流圍繞旋轉中的圓柱體或球體時,會以某種方式變形。 如果球以逆時針方向旋轉,球的左側會因為移動方向與氣流相同而承受較少的阻力,右側則因逆向氣流增加了阻力。球的右側承受的壓力較左側高,導致壓力不平衡,迫使球往低壓的方向移動,因而以左弧線路徑前進。

可是 C 羅或格瑞斯.貝爾(Gareth Bale)踢出的自由球類型就完全不同。此類強勁且突然轉向的自由球盡可能不讓球旋轉。當空氣流經球體,表面會產生如氣墊般緊包球面的氣流邊界層。如球面上的凹陷破壞這種氣流,球就會在空中偏移。快速旋轉中的足球不會有太多偏移,但是平踢的球會,因其有較多時間往受干擾方向移動。所以 C 羅踢出幾乎不旋轉的球時,球面上任何的凹陷都會讓球在飛行中偏移,騙過許多不知所措的守門員。

為什麼足球不能太圓?

2010 年在南非舉行的世界盃中,官方指定用球「普天同慶」(Jabulani)引起守門員和前鋒球員的一陣驚愕。這款足球由少數球片採內部縫線拼合而成,因此成為史上最圓的足球。 太圓的球使球員感到相當困擾,因為它會完全無法預測地突然轉向。前場球員也不喜歡它,因為球缺乏摩擦力代表腳難以控球,很難讓球旋轉。另一方面,守門員無法預料球的軌跡,因為球會在飛行中突然慢下來或往上飄移,有點像是塑膠製的充氣球。

本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 06 期(2015 年 3 月號)

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