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NASA科学家实验室看世界杯 烟雾激光探桑巴荣耀

来源:龙虎网-南京日报

  荷兰5-1复仇西班牙巴西3:1战胜克罗地亚德国4:0踢得葡萄牙“满地找牙”,2014年世界杯一开赛,一场场进球狂欢就令球迷们酣畅淋漓。

  世界杯引起很多球迷的兴奋,其中也包括美国国家宇航局(NASA)的工程师们。尽管NASA没有参与足球的设计和测试工作,但科学家们认为,世界杯比赛提供了解释空气动力学原理的极佳机会,通过研究世界杯用球,会让人们了解足球背后的科技奥秘。

  咋看世界杯

  科学家用烟雾和激光来研究“桑巴荣耀”足球的流体特性。

   2014世界杯使用的足球名为“桑巴荣耀”,意指“巴西精神”。与传统蜂窝状足球模样不同,今年“桑巴荣耀”的表面是由6块十字形的面皮组成的。据称“桑巴荣耀”是有史以来最圆的足球,也是足球史上最有科技含量的产品。

  相关的测试在NASA艾姆斯研究中心进行。

  空气动力学是研究气体和液体——在研究中称为“流体”——在物体周围如何流动的学科。艾姆斯研究中心的工程师们在基础空气动力学研究水平处于世界领先地位,他们对流体如何环绕一些简单三维几何体如圆柱、球体等流动有着相当深厚的认识。

  拉比·梅塔博士是NASA艾姆斯研究中心实验航空物理科主任,他说:“体育提供了很好的机会,可以让下一代的研究者通过一些相关的东西了解空气动力学领域。”

  在实验室里,科学家们利用烟雾、激光和流体搭建了一个测试间,通过空气动力学来研究2014年巴西世界杯用球“桑巴荣耀”的科技秘密。拉比·梅塔和工程师们将“桑巴荣耀”、传统足球和2010年南非世界杯用球“普天同庆”等测试球分别放入测试水道。

  在这个长约43厘米的水道中,研究者利用荧光染色的液体来观察球体周围的流体形态。

  他们发现,世界杯参赛选手通常的踢球速度在每小时80到89公里之间。更加光滑的“普天同庆”在约80公里每小时的速度时能产生最大电梯球效应,即球很快地呈斜线往上飞,又以更大陡度急坠,好像电梯急上急下。这就解释了2010年世界杯时,球员为什么会经常踢出电梯球。

  “普天同庆”虽然容易产生电梯球,但这款球形状太圆润,飞行轨迹更加飘逸。美国媒体报道称,在2010年南非世界杯时,“普天同庆”所表现出的一些“超自然”运动状态,不仅让门将无所适从,前锋中场队员也连连抱怨,称这款球无法控制。

  在体育竞技中,充分利用球的运动特征来获得运动优势并不新奇。以棒球比赛为例,投手根据球的缝线控制球的旋转,投出弧线球、快球、滑球、指间球等不同轨迹的球。

  对足球而言,虽然球体表面并没有突出缝线,但大部分足球球面是有接缝的。

  传统的蜂窝状足球自2006年德国世界杯开始就有了转变。那次的世界杯足球“团队之星”,足球表皮从32块减少到了14块,最大限度地消除了球体表面不规则的凹凸,令球体呈现完美圆弧,从而有效提高足球运行的精准度。

  但是,这种改变到了2010年的南非世界杯却备受争议,南非世界杯使用的“普天同庆”仅用8块皮面拼接,但其性能却备受球员诟病,“普天同庆”的进球率也是历届世界杯里最低的。

  为了解决足球“普天同庆”运动的不规则性,研究团队与数百名球员合作,开发并设计了足球“桑巴荣耀”。一款传统的足球由32块皮缝合而成,“普天同庆”拥有8块皮,而“桑巴荣耀”只有6块皮。

  与之前的世界杯比赛用球相比,“桑巴荣耀”具有更少的面,但这些类似手指形状的面之间的接缝长度却增加了。相比“普天同庆”,这些接缝的深度也变深了。球面上还布满了凸起,所有这些因素都会影响球的空气动力学特性。

  在通常印象中,气体是围绕球体进行运动的。实际上这种说法并不准确,围绕球体的气流并不平滑,在球后方会产生相当大的拉力。比如,在高尔夫球场上,较为光滑的高尔夫球比正常的、凹凸不平的高尔夫球前进的距离要短。球体表面的小窝能搅动空气,在球体后方产生较小的低压尾流,从而减少拉力,使球运动距离变长。

  “在球体表面附近会形成一个很薄的空气层,称为边界层,正是边界层的状态和变化影响了球的运动,”拉比·梅塔说,“足球所使用的材料,球面的粗糙程度都会影响其空气动力学特性。”

  球面越光滑,要踢出电梯球所需的速度就越高。由于“桑巴荣耀”增加了球面的粗糙度,产生最大电梯球效应临界速度降到了48公里每小时。因此,以世界杯赛场上通常的踢球速度而言,“桑巴荣耀”整体粗糙度的增加将减少电梯球产生的概率。

  本届世界杯上,“桑巴荣耀”的表现还算正常。

  据悉,“桑巴荣耀”的球体表面由五层材料组成,确保足球在踢过之后能够恢复其原来的形状,这使球面特别持久耐用,富有弹性。球皮的最里层是黏合涂层,在此之上是聚氨酯泡沫塑料,由数百万气体填充的微球体组成。足球的外表皮包括三层具有不同厚度的紧凑层。这些紧凑层能够出色地抵抗外部影响和磨损,并实现足球的高弹性。此外,其球体表面还具备50000个小凸点,其能够增加皮球与脚的接触面,增加触球时球体的旋转。

  拉比·梅塔说,与“普天同庆”相比,“桑巴荣耀”的移动速度和稳定性更好。“球员们应该会对这个新的比赛用球更加满意。它的飞行稳定性更高,踢起来更像由32个平面拼接起来的传统足球。”

  去年测试时,作为门将测试的代表,西班牙队队长卡西利亚斯就表示:“‘桑巴荣耀’的设计让人称羡,有强烈的巴西风格。它与欧冠比赛用球非常类似,因此我相信球员们对此会非常开心。我期待在巴西与这款绝妙的足球共舞。”也许,正是因为“桑巴荣耀”重量轻球速快、皮球飞行轨迹稳定,才刺激了本届世界杯能够产生更多的进球。

  当然,卡西利亚斯遭遇两场耻辱性的比赛后,提前告别了世界杯赛场。

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(责任编辑:zhangxu)

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