隔壁侃球 ｜ 弧线球和电梯球中的科学

前注：继开篇词后，本文为《隔壁侃球·智慧足球》系列第二篇专栏文章，主题为：弧线球和电梯球中的科学。

研究足球与科学的关系在西方越来越受到重视。足球运动，本质就是足球在人为控制下，在场上飞来飞去，它既遵从人的意志、更要满足一定的物理规律。足球运动员了解一些这方面的知识，知道球的弹射与飞行规律，就可以调整踢球的力度与角度，通过传球与截断路线的几何关系，来把握控球的时间与空间。这对掌握和提高踢球技术有帮助。我们更是从足球材质和表面结构的变化，很早就预料到C罗在2014年世界杯的任意球将遇到麻烦。足球运动的一般规律其实并不复杂，因为只有碰撞动力学和飞行动力学，碰撞涉及到球的弹性与摩擦力（包括球的材质及表面结构），飞行涉及到空气阻力。在任意球的技术中，空气动力学的道理最为突出。虽然曾经有过一些简单的介绍，但这些概念似乎还没有深入人心。下面我们再简单介绍一下旋转型和高速型两类任意球。

图：梅西和C罗旋转型任意球包括香蕉球和落叶球，高速型任意球主要指电梯球。这两类任意球轨迹飘忽，让对方防不胜防，是足球场上的绝杀之技。贝克汉姆的香蕉球被称为圆月弯刀，C罗的电梯球则称为战斧，那真的是一球既出，天地为之色变，摄人魂魄，对手只能引颈受戮。现在踢香蕉球最好的是梅西，电梯球最著名的是C罗。1.旋转型任意球顾名思义，香蕉球就是球呈弧线飞行、横向偏转，像弯曲的香蕉一样。落叶球就是像树上飘落的树叶一样，上升，急速再下降。电梯球则是跟电梯一样，直快上直下。

球在空中飞行，如果没有外力，应该是直线。当然首先有地心引力，使足球必然下落。但又有附加的其他作用力，使其轨迹更加复杂。香蕉球的轨迹为什么会发生弯曲呢？原因是球的旋转，使得球与周围的空气发生作用，产生了侧向力。球向哪个方向旋转，球的运动轨迹就向那个方向偏过去。这个作用在物理学上称为马格努斯效应。球员踢球时，不踢在球心上，而是偏离球心，并尽量延长脚与球接触、摩擦的时间，让球产生自转，自转的方向决定轨迹是向右还是向左偏，同时要给予球足够的冲力，使它有足够的速度飞向对方的球门。所以这种球用脚内侧（例如贝克汉姆和梅西）或外侧（例如卡洛斯）。

图：贝克汉姆的脚内侧“圆月弯刀”因此香蕉球的要领在于球的旋转，但球速越慢时，这个效应越明显。如果球速越快，要求偏转越大，那么旋转就要求越厉害。如果同时距离越远、速度越慢，那么偏转越大。这就是为什么我们经常会看到， 在香蕉球运行的末尾时刻，会有更剧烈的偏转，使守门员防不胜防。 所以对球员的脚法和球商都有很高的要求。 踢球时要让脚与球有比较长的接触时间， 形成强烈的摩擦， 从而使球剧烈旋转，同时要给予球足够的冲力，使它有足够的速度飞向对方的球门。

落叶球和香蕉球的原理一样，都是用脚弓背对球摩擦，使球产生向上的高速旋转，都是基于马格努斯效应。2.高速型任意球电梯球的特点是：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。急速下坠原理是：对非旋转球体， 当起始速度小于与末端速度时相近时，球体成抛物线运动； 而当起始速度远大于末端速度时，球下落时急坠。初速与末速之比，在物理上称为雷诺数。因此，电梯球没有不要求旋转，关键是球速要极快。目前最快速度超过220公里/小时，一般是100~200公里/小时。 电梯球是现代足球中技术含量最高、最具威胁的任意球，它历史不长。儒尼尼奥是第一个踢出这种球的球员， 但直到意大利的足球天才皮尔洛在对波兰队的一场正式比赛中踢出这样一脚精妙绝伦的进球时，才正式被《米兰足球报》命名为“电梯球”。电梯球的踢球要点是：◆ 脚内侧触球，小腿发力，击球点在球的中下部，◆ 送球（提拉）的方向要与球飞出的方向一致，◆ 带有踮脚慢跑的助跑方式，C罗是在助跑后第4步出脚，◆ 支撑腿：一定要踏实，离球大约一脚宽度，◆ 触脚点：脚弓靠下一点，与大力射门相似，◆ 触球点一定要在球的正中心靠下（最好是硬度最大的气门芯处），此时发力最充分，球速最快。否则球就会有旋转。图：C罗演示电梯球慢动作由于球身旋转速度很小，脚的作用力几乎就全部作用在了前行方向所需的动能上，皮球凌空的瞬间就获得了高速，刚开始皮球高速直线前行，但与空气作用成流线型的球体表面，任意一个位置都能产生气压差，直接导致皮球运动线路飘忽不定，忽左忽右，甚至忽上忽下。这三者之间的区别是：弧线球和落叶球的偏转方向确定（或向左、向右， 或向下）， 而电梯球是飘忽不定的， 最后急坠是它的特点。

3.球体材质与表面状态的影响在2014年清华电视台的“名哨侃球”节目中，我们就曾经指出，C罗的任意球会在当年巴西的世界杯中出现问题，电梯球不容易踢出来。为什么？因为球的表面发生了变化。现代足球的基本形状如图所示， 由32块皮子组成。这看来平常的样子，其实与科学有很大关联。 图：左为足球，右为碳-60首先，在数学上可以从欧拉公式计算出，这个结构中必须有12个面是正五边形，20个面是正六边形；其次在化学方面，1985年发现的碳-60结构是一种天然分子，它以60个碳原子作为顶点，组成一个32面体，正好是像足球一样的多边形体， 所以也称为足球烯。从物理上看， 这种结构非常坚实，与排球和篮球的结构都不相同，可以承受最大的冲力。在2014年巴西世界杯上采用的Brazuca，号称桑巴荣耀的足球板式，它只有六块皮子，不但减少了皮子之间的缝隙数量， 而且表面还布满小酒窝， 因此对空气阻力壁的形成有削弱作用。日本的一个研究组对此作了认真的分析和实验， 包括在风洞中的实际检测。结果表明，这种新的板型，使Brazuca足球的可预期性比较强，自己能判断轨迹，而不能像前两代阿迪的用球（分别有14块和8块皮子），如果大力抽射的话会踢出一些非常诡异的弧线。Brazuca球能够踢出更强的弧线，只要脚法运用适当，而且球的弧线是很好预测的，即有利于香蕉球。然而，电梯球就不容易踢出来了。在那届世界杯中C 罗主罚任意球的失落（远远低于在那之前的比赛中），也应当与此有重要的关联。

图：2014年巴西世界杯官方用球Brazuca关于弧线球和电梯球的原理都是由国外科学界论证的，我们在不同场合做了推介。但是估计这些原理还没有被广大足球爱好者、特别是足球运动员和教练员充分掌握，因此在我们的平台启动伊始，觉得还有必要再予阐释，也以此作为宣扬智慧足球的开端。【相关链接】隔壁侃球 | 开篇词：足球的感召力