卡達世界盃官方用球Al Rihla,進風洞裡試測結果如何?

卡達世界盃官方用球Al Rihla,進風洞裡試測結果如何?

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編者按:足球運動吸引了無數人的目光,而世界盃則是關注的焦點。自 1970 年以來,愛迪達一直為世界盃提供足球,其為 2022 年卡達世界盃設計的官方比賽用球為 Al Rihla。一位體育物理學家對世界盃的官方用球 Al Rihla 進行了分析。本文來自編譯,希望對您有所啟發。

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2022年9月23日,在德國杜塞爾多夫的默克爾體育場,日本和美國的國際友誼賽上,愛迪達的 Al Rihla 足球。圖片來源:約翰?艾瑞克?戈夫( John Eric Goff)(CC BY-ND)arstechnica.com和歷屆世界盃一樣,在 2022 年卡達世界盃中,球員們將使用一種新的足球。在這項世界上最受歡迎運動的最重要比賽中,沒有人希望在最重要的裝備上出錯,所以為了確保每一個新的世界盃用球都能為球員帶來熟悉感,有大量的事情要做。?

我是林奇堡大学的物理学教授,主要研究运动物理学。儘管围绕今年世界盃的糜烂和人权问题存在争议,但足球的科学和技术仍有其美丽之处。作為我研究的一部门,每四年,我都市对新世界杯用球进行分析,看看是什麼造就了世界上最悦目的角逐的焦点。?

1. 阻力的物理原理

在射门、任意球和长传之间,足球角逐中的许多重要时刻都发生在球在空中的时候。所以足球最重要的特徵之一就是它在空气中的运动方式。

在低速時,空氣只會接觸足球前半部门的外貌,然後以一種被稱為層流(laminar flow)的方式脫離球外貌,正如這張風洞照片所示。圖片來源:約翰?艾瑞克?戈夫( John Eric Goff)(CC BY-ND)arstechnica.com?

當球在空氣中運動時,有一層薄薄的幾乎是靜止的空氣層,稱為邊界層(boundary layer),包圍著球的一部门。低速時,邊界層只覆蓋球的前半部门,然後流動的空氣就會從球的外貌剝離。在這種情況下,球後的空氣尾流是有一定規律的,稱為層流(laminar flow)。?

然而,當一個球快速移動時,邊界層圍繞球的距離會遠得多。當氣流最終與球的外貌分離時,會形成一系列混亂的漩渦,這個過程被稱為湍流(turbulent flow)。

在高速運動時,流過足球的空氣幾乎會完全流向球的反面,然後再分離成混亂的漩渦,稱為湍流(turbulent flow)。圖片來源:約翰?艾瑞克?戈夫( John Eric Goff)(CC BY-ND)arstechnica.com

在計算移動的空氣施加在移動物體上的力(阻力)時,物理學家使用了一個叫做阻力係數(drag coefficient)的術語。對於給定的速度,阻力係數越高,物體感受到的阻力就越大。?

結果讲明,足球在層流中的阻力係數大約是湍流的 2.5 倍。雖然這可能聽起來有悖常理,但使球的外貌粗拙化會延遲邊界層的分離,並使球在湍流中保持更長時間。這個物理學事實(外貌粗拙的球受到的阻力更小)也是帶凹凸點的高爾夫球比平滑的球飛得更遠的原因。?

要製作一个好的足球,气流从湍流过渡到层流的速度是至关重要的。这是因為当这种转变发生时,球的速度就开始急剧减慢。如果层流开始的速渡过高,球开始减速的速度比保持湍流时间较长的球要快得多。?

2. 世界盃用球的演變

自 1970 年以來,愛迪達一直為世界盃提供足球。到 2002 年,每個球都採用了標誌性的 32 面結構。傳統上,20 個六邊形和 12 個五邊形的面板是由皮革製成並縫合在一起的。

愛迪達的 Telstar 曾在1970年和1974年世界盃上亮相,许多人一想到足球就會想到它。圖片來源:約翰?艾瑞克?戈夫( John Eric Goff)(CC BY-ND)arstechnica.com

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2006 年德國世界盃開啟了一個新時代。2006 年的足球被稱為 Teamgesit,由 14 塊平滑的合成面板組成,這些面板不是透過縫線結合在一起的,而是透過熱黏合組合在一起的。在雨天和潮濕的日子裡,這種更緊密的膠合密封能使水無法進入球的內部。?

用新质料、新技术和更少的面板製作一个球,改变了球在空中航行的方式。在已往的叁届世界盃上,爱迪达试图平衡面板数量、接缝性能和外貌纹理,以缔造出更好的切合空气动力学的足球。?

2010 年南非世界盃上的八面板「Jabulani」球採用了有紋理的面板,以彌補較短的接縫和較少的面板數量。儘管愛迪達做出了努力,但 Jabulani 足球仍然是一款有爭議的球,許多球員诉苦它的減速很突然。當我和同事們在風洞裡分析這款球時,發現 Jabulani 足球整體上過於平滑,因此阻力係數比 2006 年世界盃的 Teamgesit 足球要高。

2010年南非世界盃上,更平滑的 Jabulani 球因在空中速度慢而受到许多批評。圖片來源:約翰?艾瑞克?戈夫( John Eric Goff)(CC BY-ND)arstechnica.com

2014 年巴西世界盃的「Brazuca」和 2018 年俄羅斯世界盃的「Telstar 18」都有六個形狀怪異的面板。雖然它們的外貌紋理略有差异,但總體外貌粗拙度大致相同,因此,空氣動力學特性相似。球員們普遍喜歡 Brazuca 和 Telstar 18,但有些人诉苦 Telstar 18 容易彈出。?

3. 2022 年的 Al Rihla 足球

卡達世界盃的新足球是 Al Rihla。?

Al Rihla 由水性油墨和膠水製成,包罗 20 個面板。其中 8 個是邊長大致相等的小三角形,12 個比較大,形狀有點像霜淇淋蛋筒。

為了使 Al Rihla 外貌更粗拙,更切合空氣動力學,愛迪達在外貌添加了小凹坑。圖片來源:約翰?艾瑞克?戈夫( John Eric Goff)(CC BY-ND)arstechnica.com

Al Rihla 並沒有像以前的足球那樣使用凸起的紋理來增加外貌粗拙度,而是在外貌添加了小凹坑,與以前的球相比,它的外貌相對平滑。?

為了制止更平滑的感覺,Al Rihla 的接縫更寬更深,這也許是吸取了過度平滑的 Jabulani 球的教訓,Jabulani 普天同慶的接縫是近年來世界盃用球中最淺最短的,許多球員覺得它在空中的速度很慢。?

我在日本的同事們在築波大學(University of Tsukuba)的風洞裡測試了最近的 4 個世界盃用球。?

当气流由湍流转為层流时,阻力係数迅速上升。当这种情况发生在航行中的球上时,球的阻力会突然急剧增加,并突然减速。

新的 Al Rihla 球在較低的速度下阻力係數更低,而2010年推出的 Jabulani 球在更高的速度下感受到的阻力更大,因此減速更快。圖片來源:約翰?艾瑞克?戈夫( John Eric Goff)(CC BY-ND)arstechnica.com

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我們測試的大多數世界盃球都以大約 36 英里/小時(58公里/小時)的速度過渡。正如所料,Jabulani 是一個例外,它的過渡速度約為 51 英里/小時(82 公里/小時)。考慮到大多數任意球開始時的速度超過 60 英里/小時(97 公里/小時),球員們覺得 Jabulani 速度慢且難以預測是有原理的。Al Rihla 的空氣動力學特性與它之前的兩款球很是相似,如果說有什麼差异的話,那就是它甚至可以在較低速時移動得更快一點。?

每一款新球都會遭到一些人的诉苦,但科學讲明,今年世界盃上的球員應該對 Al Rihla 有一種熟悉感,並很快適應。

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