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足球的物理学 精选

已有 9373 次阅读 2010-6-13 08:36 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

 
 足球的物理,不是那颗孤立的球的物理,而是比赛过程中的球的运动法则。
 
我想足球最令人激动的时刻是进球,而最体现球的奇妙的进球,是小贝的弧线任意球。弧线球的物理是经典的流体力学(或者空气动力学),它的原理与飞机一样,是著名的Bernoulli原理:速度差产生压力差,压力差差生偏转的力。
 
道理很简单:起脚时让皮球旋转,于是皮球两边的气流速度不同,与旋转同向的一边快,逆向的一边慢。相应地,两边空气的压力也不同。球会向着压力小的一侧偏转。这个现象叫Magnus效应。飞机之所以能飞起来,就靠垂直方向(机翼上下)的压力差(升力)。
 
假定球速为每秒30米,每秒旋转10圈儿,那么,假如在30米外开球,它可能偏离原来方向4米——半个多球门的宽度,足以逃过任何球门的扑救。
 
严格说来,球的运动还取决于空气的阻力,取决于气流是湍流还是层流(用Reynolds数来刻画)。有趣的是,Magnus力与阻力都与速度的平方成正比。小贝肯定不会在发任意球时在脑子里解球的运动方程,但他的结果比方程的解还好。
 
 
Magnus效应(网络图片)
 
飞动的球遵从空气动力学的原理,那么球的传递呢?这也许是更重要的问题,毕竟在多数时间里,球是在队员之间传递的。虽然站位有阵法,传球有章法,有技术,但我觉得球在场上的传递颇像Brown运动——假如真是的,那就意味着有意识的个人行为会在人多的时候演化为随机过程
 
换一个角度来看也许更清楚:假如将球员的身影抹去,只留下球的轨迹,我们是否能区分哪些是同伴间的传递,哪些是对手的破坏?假如让两队醉鬼来踢球,然后拿他们的球的轨迹来对比,我们是否能分清哪一场是正常的?
 
当然,如果球不是随机的,那么它与Brown运动的偏离,也许能代表水平的高低。偏离越大,水平越高,比赛越精彩。
 
假如随机的观点还有点儿道理,那么教练应该关心什么呢?  

Brown运动的轨迹 (网络图片)

 

 





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