国家中国科学院国家太空科学中心
国家主要的太空天气实验室
足球世界杯很棒而残酷。从小就开始努力工作,日复一日地训练有素,在激烈的球队和比赛中发现了一线希望。在这一天,他们希望站在世界足球的最高阶段来争取民族荣誉。但是竞争性运动既胜利又输了。勇敢的人在狭窄的道路上相遇时获胜。幸运的是,这将决定这些努力工作至今的球员是否会荣耀或荣耀结束,无论他们是在笑还是悲伤的后卫,这一切都在90分钟的变化中出现。这可能是足球的魅力。
在这种情况下,任何射门,战斗或固定球都是宝贵的。这项世界杯产生了很多设定的目标和出色的长镜头,例如罗纳尔多(Ronaldo)的任意球来拯救葡萄牙的球队,例如托尼科·罗斯(Toniko Ross)在点球区域的奇妙弧形拍摄的奇妙弧线,许多球被守门员或防守球员或防守球员解决了,或者有些棘手的镜头与球迷们一无所知,如果球迷尖叫着,那就是那个球迷,如果这是一个尖叫的球,那么这是一点点脚步,如果这是一点点的脚步,那么这是一个挑战吗?如果那个球早点掉了怎么办?也许游戏的结果会大不相同。
意大利明星Baggio的点球踢高于1994年世界杯的横杆,只留下了后卫
经过不利于训练,现代足球运动员可以在足球飞行轨迹中拍摄各种各样的射门,例如熟悉的“香蕉球”和“电梯球”,这使得防守球员无法防守。许多粉丝和朋友也努力练习,希望他们也能打出如此漂亮的镜头。那么,为什么足球会有如此不断变化的飞行轨迹?
香蕉球“指的是弧球,或在足球中的弧球。在球员使用步法踢球后,球的飞行曲线是弧线,这意味着“转动”。弧球可以绕过他面前的防守球员并在他面前的防守球员比赛,直到球门位置无法直线达到直线为止。
托尼·克鲁斯(Tony Kroos)的最后一枪也有一定的弧线
弧球的“转动”使用了流体的伯努利原理,即流体以快速流速流动的流量很小,压力很强,如示意图所示。球向前飞(在图中向下飞行,因此空气流体等于向上流动),并且两侧的空气与两侧分开,流速更快。当球旋转如图所示,由于空气的粘度,空气靠近球的表面与球旋转。因为它与流线不同,所以它产生左右不对称。图中左侧的流速相对较快,右侧的流速较慢。由于右侧的压力和左侧的压力很小,因此形成了左侧力。该旋转物体的侧向力称为“马格努斯效应”。贝克汉姆(Beckham)的曲线球非常出名,足球迷称其为“满月弯刀”。使用这种游戏风格,您可以在绕过人墙的同时撞到球门的上角,使守门员“遥不可及”。越过时,您还可以绕过前球员将其挡住,从而使球飞往球门前的队友的包围位置。
在现代飞机中,“马格努斯效应”也非常重要。我们的火箭弹和导弹通常会旋转以提高飞行稳定性,但此时将需要考虑“马格努斯效应”。
流体中向前旋转(向下)的球因流体压力而受到横向力
“电梯球”用于描述一个迅速下降的球。球似乎直接通过电梯进入了“一楼”,而不是“沿着楼梯”下楼层。一开始,球迅速飞向上,然后以更棘手的角度急剧跌落,它很可能从守门员的手上“钻”进球,尤其是当守门员略高于进球时。 Pirlo和Ronaldo都是这种球的好球员。在这个世界杯上,我们还看到了很多长镜头落在陡峭的弧线中。
说球被“拒绝”的原因是因为我们每天经常看到的抛物线,上升阶段和下降阶段的轨迹是对称的(下图A)。守门员还使用它来预测球的速度和位置。该抛物线被称为Galileo抛物线轨迹,其水平初始速度小于自由下落的最终速度。但是,如果水平的初始速度很大,该怎么办?如果初始速度大于最终速度,则弹丸将沿着不对称轨迹减速,即升阶段的斜率很小,在轨迹的末端,轨迹接近垂直跌落(下面的图B)。
这种不对称的抛物线并不难理解。球在空中受到向下的重力和向后的空气阻力。一起,它可能朝向向下倾斜的方向,而抛物线可能接近对称的方向。由于空气电阻,其速度较大的球非常强,最后在电阻下垂直下降,但是即使落在水平面上,速度仍然不如初始速度那样大。从对称的角度来看,它等同于右侧的对称轴的特别“偏斜”。这种飞行轨迹可以通过电阻分析来计算。因此,如果您想踢电梯球,球员需要非常快地踢球 - 一些著名的明星可以以每小时100公里的速度射击。例如,在2002年世界杯足球赛中,巴西面对中国,而巴西的明星卡洛斯(Carlos)则击败了球门26米的任意球,测得的速度达到每小时149公里。
(a)初始速度较小的抛物线(b)抛物线的初始速度比最终速度较大
此外,我们经常听到一个球,即一个不旋转的球。它的轨迹经常在没有任何规则的情况下改变,使防守球员难以预测,并以某种方式突然跌落或偏转。这种球也被称为“叶子垂落球”。一个解释是,当流体绕过非流线的对象时,尾流的两个侧将在相反的旋转方向上交替生成涡旋对,从而在对象上产生交替的横向力。
但是,实际上,许多球是多种力量组合的结果。尽管出现了一些效果,但它们不一定发挥主导作用。例如,每个世界杯中使用的球都会改变,从光滑的球形表面到经典的多边形缝线,有些具有奇怪的图案。当足球旋转和苍蝇时,这些纹理将带来涡流等效的效果,从而使足球的轨迹更加混乱。
漫画:巴西明星卡洛斯(Carlos)曾经以惊人的曲线任意球
人类不是机器,足球场不是数千年来保持不变的实验室。合适的时间,地点和人们使足球比赛越来越难以预测和难以实现。球飞行的原则可以帮助我们学习和提高踢足球的技能,但是即使我们了解所有原则,我们仍然需要日复一日地努力和运气。
作者:中国科学学院国家太空科学中心太空天气的主要太空天气主要实验室
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