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近日,在世界杯比賽中
葡萄牙隊(duì)3比2險(xiǎn)勝加納隊(duì)
下半場(chǎng),C羅通過(guò)點(diǎn)球
幫助葡萄牙隊(duì)取得領(lǐng)先
圖源:FIFA
被判點(diǎn)球后C羅親吻足球
他閉上雙眼,深呼吸
然后助跑、果斷起腳
皮球勢(shì)大力沉直竄對(duì)方球門(mén)
圖源:新華社
C羅也成為歷史首位
連續(xù)五屆世界杯取得進(jìn)球的球員
大家觀看比賽時(shí)有沒(méi)有想過(guò)
在如此多的球類運(yùn)動(dòng)中
足球的球速是最快嗎?
哪種球飛得最遠(yuǎn)?
球速之“王”竟然是它?
所有球類運(yùn)動(dòng)無(wú)非是用手、腳、球棒或球拍擊打球,球的尺寸、形狀和重量差異使得它們具有不同的速度以及運(yùn)動(dòng)軌跡。
那么問(wèn)題來(lái)了,在這些球類運(yùn)動(dòng)中,速度最快的是哪種球?是令人熱血沸騰的足球,是揮汗如雨的網(wǎng)球,還是快得看不清軌跡的乒乓球?
圖源:攝圖網(wǎng)
答案其實(shí)是外形最不像球的羽毛球。
目前吉尼斯官方認(rèn)可的最快的羽毛球記錄來(lái)自丹麥選手科丁,2017年1月10日,在印度羽毛球超級(jí)聯(lián)賽上,科丁在正式比賽中殺出一記速度高達(dá)426 公里/小時(shí)(約118 m/s)的殺球。這意味著什么?這個(gè)記錄中羽毛球的最高速度,比“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組列車(chē)最高運(yùn)行時(shí)速(400公里/小時(shí))還要快。
圖源:Physics of ball sports各種球類運(yùn)動(dòng)的最高運(yùn)動(dòng)速度
羽毛球?yàn)槭裁茨茱w得那么快?原因其實(shí)并不復(fù)雜,主要是因?yàn)橛鹈虮容^輕(重量只有5克),并且球拍足夠長(zhǎng)(不超過(guò)680mm)。
圖源:Annu. Rev. Fluid Mech 各種球的尺寸、重量及速度等基本參數(shù)
球體在空中的運(yùn)動(dòng)往往只受到空氣阻力和重力的作用,它的速度一般只會(huì)逐漸減?。ɑ@球等例外)。想要獲得最快的運(yùn)動(dòng)速度,球體需要在離開(kāi)運(yùn)動(dòng)員接觸的瞬間獲得最大的加速度。相對(duì)于網(wǎng)球、足球和其它球體,羽毛球非常輕,因此同等大小的力在它身上則會(huì)產(chǎn)生更大的加速度。
圖源:Physics of ball sports 高爾夫球和羽毛球的揮拍動(dòng)作
最能“飛”的球——高爾夫球
高爾夫球是飛得最遠(yuǎn)的球,單次擊球可以移動(dòng)200米以上,標(biāo)準(zhǔn)高爾夫球場(chǎng),一般布置18個(gè)球洞,總長(zhǎng)度要控制在6002~6400米,球場(chǎng)面積50~75公頃(1公頃=10000平方米),實(shí)際大小要根據(jù)球場(chǎng)的地形來(lái)確定。
不僅如此,高爾夫還走出了地球,成為了首個(gè)星際間的球類運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。1971年2月6日,執(zhí)行阿波羅14號(hào)任務(wù)的宇航員艾倫·謝帕德(Alan Shepard)揮動(dòng)球桿在月球上打起了高爾夫球,從而使他成為有史以來(lái)第一位,也是目前唯一一位在月亮上打過(guò)高爾夫球的人。
圖源:NASA 正在月球打高爾夫球的宇航員艾倫
高爾夫球有一個(gè)讓人大跌眼鏡的現(xiàn)象:越是光滑的高爾夫球,越是飛不遠(yuǎn)。
我們都認(rèn)為,球形是最完美的形體,表面越是光滑,則在飛行的過(guò)程中,球面與大氣的摩擦就越少,同等用力的情況下,理應(yīng)飛得越遠(yuǎn)。但是,高爾夫球不是這樣。
圖源:《高爾夫50年》高爾夫球的變遷
毛根海教授所著《奇妙的流體運(yùn)動(dòng)科學(xué)》一書(shū)中,有這么一個(gè)數(shù)據(jù):同等條件下,布滿小酒窩的高爾夫球,它在飛行中所受到的阻力只有光滑球的一半,而飛行距離是光滑球的5倍。物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí),前后壓力差所帶來(lái)的阻力就叫做“形狀阻力”?,F(xiàn)代核潛艇使用“水滴型”外形就是為了減少形狀阻力。
圖源:科普中國(guó)
如上圖,頂部的垂直豎版,其形體阻力最大,原因是其后方的“低壓區(qū)”面積最大,第二個(gè)球體的低壓區(qū)有所減少,直至底部的水滴型,其形狀阻力最小。通過(guò)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn),人們發(fā)現(xiàn),光滑的與布滿小酒窩的球相比,后者產(chǎn)生的低壓區(qū)面積更少。球上的無(wú)數(shù)小酒窩,它可以起到讓空氣緊貼球面的作用,這使得平滑的氣流能順著球體表面延伸到更靠后的位置時(shí)才產(chǎn)生分離。
圖片來(lái)自航空航天工程師Jeffrey A. Scott
最受歡迎的球類運(yùn)動(dòng)——足球
無(wú)論是從影響力、參與人數(shù)還是賽事熱度來(lái)看,足球都是當(dāng)之無(wú)愧的世界第一運(yùn)動(dòng)。不過(guò)今天既然講到球速和形體阻力的問(wèn)題,那么我們也一起來(lái)看看足球縫線對(duì)足球軌跡的影響。
圖源:百度百科
普天同慶足球是2010年南非世界杯決賽階段設(shè)計(jì)的新款足球,也是最近幾屆世界杯中,最飽受批評(píng)的一個(gè)足球。在它還剛剛面世時(shí),生產(chǎn)廠家就宣傳說(shuō):這個(gè)球只用了8塊表皮就將足球拼接完成,完美地包住了內(nèi)膽,這是史上最圓的足球。
然而,這顆球卻是守門(mén)員的“噩夢(mèng)”??諝鈩?dòng)力學(xué)家梅塔博士提出,“粗糙度的大小,決定了出現(xiàn)‘蝴蝶球效應(yīng)’的最佳臨界速度是多少?!?/strong>
蝴蝶球軌跡
蝴蝶球指的是球在空中飛行時(shí)幾乎沒(méi)有旋轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致它的飛行軌跡不可預(yù)測(cè),守門(mén)員很難判斷。蝴蝶球的原理是球表面上有縫線,在飛行過(guò)程中,氣流經(jīng)過(guò)縫線時(shí),會(huì)產(chǎn)生更多湍流,由于左右不對(duì)稱,湍流增加了球側(cè)面的偏轉(zhuǎn)力。尾流左右搖擺,飛行飄忽不定,如飛舞蝴蝶。
圖源:中國(guó)科普博覽
常規(guī)足球通常將32塊球面通過(guò)縫線拼合而成,縫線的總長(zhǎng)度以及縫線的深度決定了足球的光滑度,縫線越多越粗糙。常規(guī)足球一般在48公里每小時(shí)球速時(shí)才會(huì)產(chǎn)生最大化的“蝴蝶球效應(yīng)”。
而普天同慶足球,由于其總縫線長(zhǎng)度很短,導(dǎo)致其成為當(dāng)時(shí)最光滑的足球,經(jīng)過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),人們發(fā)現(xiàn),在80~88公里每小時(shí)球速時(shí),普天同慶才會(huì)產(chǎn)生最大化的蝴蝶球效應(yīng),而80公里左右時(shí)速恰恰是射門(mén),以及任意球的典型球速。
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資料來(lái)源:央視科教、科普中國(guó)
中國(guó)科普博覽、知乎
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