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NASA测试桑巴荣耀:世界杯变空气动力学课

时间:2014-07-11   作者:环球科学  【原创】       阅读

2014年国际足联世界杯足球赛正如火如荼地进行,全世界的球迷享受着激情四射的足球盛宴。

  


拉比·梅塔博士利用烟雾和激光来观察阿迪达斯Brazuca足球的空气动力学特性。


在一个43厘米长的水道中,拉比·梅塔博士和克里斯蒂娜(Christina Ngo)正在对一个传统32面足球的比例模型进行观察。荧光染料和暗灯使流体模式清晰可见。


艾姆斯研究中心的水道中,一个传统32面足球的等比例模型正在接受测试。绿色染料显示的是围绕球体的水流;粉红色染料是单独注到球的后面,显示出低压区域。


艾姆斯研究中心流体力学实验室的风道中,近距离观察“桑巴荣耀”足球。被激光照亮的烟雾显示出球体周围的气流。
 
这些球迷中也包括了美国航空航天局(NASA)的工程师们。他们选择了一个特殊的方式参与其中,即对本届世界杯的比赛用球——阿迪达斯出品的“桑巴荣耀(Brazuca)”足球——进行测试,向公众展示这款足球的空气动力学特性。
 
尽管NASA的科学家并没有参与“桑巴荣耀”足球的设计和测试工作,但通过他们的实验,可以使学生和民众了解一些不大为人熟悉的空气动力学基础知识。相关的测试在NASA艾姆斯研究中心进行。
 
拉比·梅塔(Rabi Mehta)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。”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。埃姆斯研究中心的工程师在空气动力学基础研究中具有世界领先的地位,他们对流体在三维形状如圆柱体、球体周围流动的模式有深入了解。根据这些知识,工程师可以预测出形状上的微小改变,会对流动模式产生怎样的影响。
 
据称,在2010年南非世界杯时,比赛用球“普天同庆”(Jabulani)会表现出一些“超自然”的运动状态。这款足球深受前锋欢迎,却是守门员的噩梦,因为当踢球时没有或者只有很少的旋转时,足球会突然坠落形成“电梯球”,使前锋更容易得分。踢出“电梯球”的时候,球体几乎没有旋转,气流在球的缝线处以一种不寻常且不稳定的方式流动,球的轨迹变得无法预测。
 
在体育运动中,利用球的飞行特性来获得优势并不新奇。在棒球比赛中,投手根据球的缝线控制球的旋转,投出弧线球、快球、滑球、指间球等不同的球路。对足球而言,球体表面并没有突出来的缝线,但大部分足球球面确实是有接缝的。为了解决“普天同庆”足球所具有的不可预测性问题,阿迪达斯公司与数百名球员合作,开发出“桑巴荣耀”足球。传统的足球由32个面拼接起来,“普天同庆”足球只有8面,而“桑巴荣耀”则仅有6面。
 
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。
 
在通常的印象中,气体是围绕球体进行运动的,但这实际上并不准确。围绕球体的气流并不平滑,在球后方还会产生相当大的拉力。举个例子,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得多。球体表面的小窝能够搅动空气,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。”
 
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。在艾姆斯研究中心流体力学实验室的一个60厘米×60厘米的风道中,拉比·梅塔演示了“桑巴荣耀”球体周围的气流情况。受控的烟雾流过足球表面,在激光的照射下,烟雾流动的轨迹清晰可见。在不同的速率下,球体周围的气流也产生了值得注意的变化。
 
“我们从烟雾模式中要寻找的,就是在什么速率下,烟雾的形态会突然发生变化,”拉比·梅塔指出,“这也是电梯球效应最为显著的时候。”
 
在艾姆斯研究中心一个长约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。他们在黑光灯下发现,传统足球产生最大的电梯球效应时速度约为48公里每小时。这一速度明显低于世界杯参赛选手通常的踢球速度——约80到89公里每小时。有趣的是,更加光滑的“普天同庆”足球在约80公里每小时的速度时能产生最大的电梯球效应,这也就难怪2010年世界杯时,球员们会经常踢出电梯球。
 
球面越光滑,要踢出电梯球所需的速度就越高。然而,由于“桑巴荣耀”增加了球面的粗糙度,因此产生最大的电梯球效应临界速度降到了48公里每小时。因此,在2014年的世界杯赛场上,以常规射门速度踢出的球,其运行轨迹将更容易判断出来。
 
“球员们应该会喜欢这款新球,”拉比·梅塔说,“它在飞行中更稳定,踢球时对其的控制更像是传统的32面足球。”那么,“桑巴荣耀”会不会让比赛变得没那么激动人心呢?答案是:不会。在对空气动力学原理有所了解之后,球迷、观众——特别是孩子们——将更好地欣赏足球场上的技巧。顶级运动员将继续以令人惊叹的方式控制足球,进球依然会令人血脉贲张。

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