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VR科技和數學戰術,帶領足球隊邁向世界盃冠軍—《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2016/12/14 ・2190字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 600 ・九年級

想像一下:現在已來到 2050 年世界盃足球賽的總冠軍戰,蟬聯三屆冠軍的中國隊於剛翻修的溫布利球場迎戰德國隊。全球數百萬球迷在家中頂著虛擬實境(VR)頭戴裝置,占了視野最佳的中線邊觀賽區,靜待開球。

開賽後第一球進網時,所有人的 VR 裝置全切換到進球球員的視角,剎那間觀眾從前鋒眼中看見球門,接著畫面切換至守門員視角,最後停在球門後方視野。沒有 VR 裝置的觀眾則透過智慧型手機投影 3D 全像,重播射門精彩畫面;而當球員衝向場邊與球迷一同歡慶時,植入球員的裝備甚至是皮膚中的生物辨識感測器則隨時將球員的體能狀態回報給球隊經理。

上述內容聽起來或許太不真實,但回顧 20、30 年前的足球比賽即可發現,足球賽事在短時間內發生了巨大變革。現代足球比賽中看來理所當然的事,在過去可是連相關規則都沒有。例如,國際足球總會(FIFA)在 1990 年才強制球員須戴護脛。想想足球比賽所經歷的轉變就能得知,其實前述的構想也不是那般遙不可及。

不斷創新的 VR、攝影系統甚至是裝備設計皆顯示,目前足球比賽的精密複雜度已超越以往。隨著球賽導入更多科技,電腦與智慧型手機在未來賽事中所扮演的角色,其實與球員能否發揮實力同等重要。

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本圖出自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 26 期(2016 年 11 月號)。

令人振奮的是,觀察近來比賽所採用的科技及開發中的技術,我們便能推估日後足球賽事的發展。不論是簡單的道具(如裁判用的消失噴霧),亦或讓 3D 重播化為可能的尖端攝影科技,接下來我們將一同探索未來的足球比賽會如何演化。

未來的球隊訓練

讓球員更上一層樓的祕訣

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本圖出自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 26 期(2016 年 11 月號)。

接下來數年內,足球運動發展革新的範圍絕對涵蓋運動場館、足球場或是球迷的家裡;不過改變最大之處,其實也包括了沒有攝影機跟拍的地方。隨著教練越來越了解運動員的身體如何運作,訓練方法便開始有所改變,球員準備每場重要戰役的方式也大有不同了。

像愛迪達 MiCoach 智慧足球這類的新科技已能更詳盡地記錄練習狀況;每位球員在練習場上的表現也可以從更細部的面向來進行分析。球員每次踢球的狀況都會被球體內建的感測器記錄下來;舉例來說,我們可以知道踢擊的力道、足球飛行的路徑,還有撞擊點在哪,以更深入了解球員的表現。相關資料會透過藍牙傳輸直接匯入智慧型手機的應用程式,球員、教練都能即時觀看,如此便可立即思索如何增加任意球的旋度、踢擊的力道,或者加強點球技術。

教練也很注重如何維持球員的體能水準,現代科技這時就可以派上用場,讓頂尖運動員撐得更久。舉例來說,2014 年世足賽,英國隊就帶了裝滿各式飲品的冰桶,每種飲料各自因應不同球員所需。運動科學家、教練、營養學家與大學專家攜手合作,替每位球員客製飲料;球員在比賽中流失水分的程度不同,補給飲料的電解質含量也有所差別。往後,足球運動使用的配件很可能加掛能夠準確偵測球員生理狀態的感測器,從體溫到脈搏都能記錄;場邊則會有機器負責製作不同球員所需的飲品,讓他們得以保持戰力。

訓練不再僅限於增強自身實力,還會包括研究對手。球員會定期使用平板電腦,觀看敵方特定球員的相關介紹與影片。透過 VR 系統,球員有望在虛擬環境中重新體驗比賽片段,藉此鑽研敵手動作。毋庸置疑,未來幾年的科技不僅會提升足球比賽的水準,也將改善觀賽方式。

解析足球比賽背後的數學原理

  • 編按:桑普特(David Sumpter)教授在 2016 年 5 月出版了《足球數學》(Soccermatics: Mathematical Adventures in the Beautiful Game)一書,接著看桑普特怎麼用數學解析足球。

數學與足球有何相似與不同之處?

乍聽之下,兩者天差地遠:一者是踢球比賽,另一者則是心智活動。但再仔細想想,其實就會發現相似的地方。數學有時並不像我們描述得那般抽象,要解開數學應用題需要大量空間思考與問題解決的能力,而足球員常用到上述技能。球隊的陣形與戰術也得用到許多理論,這都需要邏輯思考力,與數學非常相似。

足球員在訓練和上場比賽時真的會用到數學嗎?

當然,長久以來都是如此!我先前才與曾效力於切爾西與埃弗頓兩隊的足球員柏.尼雲(Pat Nevin)談過這件事。他告訴我,1980 年代他代表蘇格蘭出賽時,球隊就規劃過三角進攻陣形。所以,早在現代人對足球數據開始產生興趣之前,球隊教練老早就開始藉助數學概念教導隊員如何進攻防守。我的研究發現,足球比賽中的許多戰略其實都經過精心的數學計算。球員的站位不僅能有效利用空間,還大大提升了傳球的成功機率。

數學如何幫助球隊贏得 PK 戰?

點球要一擊成功,祕訣就在於讓人無法預測。當然,進攻方要踢得夠用力,且讓守門員擋不到球才行,但難就難在該挑何邊進攻。如果我們老是隨機選邊攻擊,守門員就無法預測球會從何處來。

如何運用數學來訓練足球員?

我覺得數學是足球訓練中很重要的一環。足球員通常都非常聰明,所以重要的是,應該讓球員了解,場上「為什麼」有些策略有效,有些則否,數學就在這時候派上用場。不過並不是要深入講解方程式,而應著重在概念的理解,例如角度、旋轉狀態,以及傳球網路等。


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本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 26 期(2016 年 11 月號)

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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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