科学家通过空气动力学研究世界杯用球的科技秘密

26日清晨，阿根廷和尼日利亚上演了一场进球大战。上半场补时阶段，“小跳蚤”梅西的任意球划出一个高高的弧线，尼日利亚门将只能眼睁睁看着球跃入球门。

自世界杯开始以来，许多球员都打进了精彩的进球。这些目标中的一些有充分的力量，一些有奇怪的曲线，一些有尖锐的角度。打进这些世界比赛的球员，除了处于良好的比赛状态和与球员默契配合之外，在本届世界杯上也有“桑巴荣耀”的美誉。

2014年国际足联世界杯让包括美国宇航局工程师在内的许多球迷激动不已。尽管美国宇航局没有参与足球的设计或测试，但科学家认为世界杯比赛提供了解释空气动力学原理的机会。通过研究世界杯足球赛，人们将了解足球背后的科技秘密。

“全世界庆祝”太诡异了

在美国加州美国宇航局艾姆斯研究中心的实验室里，科学家们利用烟雾、激光和液体建造了一个测试室，通过空气动力学研究2014年国际足联世界杯“桑巴荣耀”球的技术秘密。

埃姆斯研究中心的首席空气动力学专家拉比·梅塔说，空气动力学研究对象是空气和液体，在空气动力学研究中，它们统称为“流体”。拉比·梅塔和工程师们将“桑巴荣耀”、传统足球和2010年南非世界杯足球赛“欢庆全世界”等测试球分别放入测试通道。

在这条43厘米长的水道中，研究人员使用荧光染色的液体来观察球体周围的流体形态。他们发现，世界杯球员通常会以每小时80至89公里的速度踢球。更流畅的“莆田庆典”能以每小时80公里的速度产生最大的电梯球效果，这也解释了为什么在2010年世界杯期间，球员们会经常踢电梯球。

虽然“庆祝全世界”很容易生产电梯球，但这个球的形状太圆，飞行路线更优雅。美国媒体报道称，在2010年南非世界杯期间，“世界庆典”展示了一些“超自然”运动，这不仅让守门员不知所措，而且前锋和中场球员也一再抱怨球失控。

电梯球更难踢。

充分利用球的飞行特性来获得运动优势并不新鲜。例如，在棒球中，投手根据球的缝合来控制球的旋转，并投掷具有不同轨迹的球，例如曲线球、快速球、滑球和指间球。就足球而言，虽然球的表面没有突出的接缝，但大多数足球都有接缝。

桑巴荣耀的脸比之前的世界杯比赛少，但是这些手指状的脸之间的接缝长度增加了。与“庆祝整个世界”相比，这些接缝的深度也加深了球形表面也覆盖有凸起，所有这些都会影响球的空气动力学特性。

总的印象是，气体在球体周围运动。事实上，这种说法并不准确，球周围的气流并不顺畅，球后面会有相当大的拉力。例如，在高尔夫球场上，平滑的高尔夫球比普通的不平坦的高尔夫球行进的距离短。球体表面的凹坑可以搅动空气，并在球体后面产生一个小的低压尾流，从而减小拉力，使球体移动更长时间。

“在球表面附近会形成一层非常薄的空气，称为边界层。影响球运动的是边界层的状态和变化，”拉比·梅塔说。"球的粗糙度会影响足球所用材料的空气动力学特性."

球体越光滑，踢电梯球所需的速度就越高。随着“桑巴荣耀”增加球面的粗糙度，最大电梯球效应的临界速度降低到每小时48公里。因此，增加“桑巴舞荣耀”的整体粗糙度将会降低在世界杯正常踢球速度下产生电梯球的概率。

“桑巴荣耀”更稳定

2006年德国世界杯的“球队之星”和2010年南非世界杯的“全球庆典”都没有受到守门员的欢迎。他们抱怨球的轨迹太奇怪了。“桑巴荣耀”在本届世界杯的表现是正常的。

据报道，“桑巴荣耀”的球体表面由五层材料组成，以确保足球在被踢后能够恢复其原始形状，这使得球体特别耐用和有弹性。球皮最内层是一层粘性涂层，上面是聚氨酯泡沫，由数百万个充气微球组成。足球的外皮包括三层不同厚度的致密层。这些致密层能够极好地抵抗外部影响和磨损，并实现足球的高弹性。此外，球的表面还设有50000个小突起，可以增加球与脚的接触面，增加球接触球时的旋转。

美国宇航局艾姆斯研究中心的拉比·梅塔说，桑巴荣耀比“庆祝全世界”更快、更稳定“球员们应该对这个新的比赛用球更加满意。它具有更高的飞行稳定性，更像一个有32架飞机的传统足球。”

在去年的测试中，作为守门员测试的代表，西班牙队队长卡西利亚斯说:“桑巴荣耀的设计令人钦佩，具有强烈的巴西风格。它非常类似于冠军联赛中使用的球，所以我相信球员们会非常高兴。我期待着在巴西与这个美妙的足球共舞。”或许，正是因为“桑巴荣耀”重量轻、球速快、球路稳定，才刺激世界杯产生更多进球。在两场羞辱性的比赛后，卡西利亚斯提前告别了世界杯。

本报讯记者韩实习生王秀军(原名“美国宇航局科学家如何看待世界杯”)