7月13日,2019世界名校足球发展论坛在广州华南理工大学举行。论坛邀请了来自中国、德国、美国、英国、意大利、南非等地的足球教育领域的专家学者,就“足球科学训练模式”“校园足球的普及与开展”“校园足球文化建设”等主题进行报告和圆桌讨论。
论坛上,清华大学体育部中国足球中心首席研究员葛惟昆作了题为“中国足球振兴的历史必由之路”的报告。在他看来,足球不仅是运动,更是教育,足球发展的基础在教育。“青训和学校教育是不能脱节的。我们的目标本身是教育,而不是单纯出足球运动员。”
你或许猜不到,这位发言的葛研究员并不是清华的体育老师,而是一位年逾古稀的物理学教授,而且可能是“七十多岁最会用脑子踢球的人”。“香蕉球”的背后存在着怎样的物理原理?足球与科学、文化、教育有着怎样的关系?让我们一起阅读葛教授在2016年发表的《足球的魅力与科学》,寻找答案~
“踢足球非常简单,难的是踢简单的足球。”
——克鲁伊夫
足球,这个世界第一运动,在中国历尽劫波,让国人又爱又愁,现在终于迎来了自己的春天。
要发展足球,必须研究足球,成为足球的内行。中国足球长期落后的一个重要原因,就是文化素养匮乏,更缺少科学的认识,以至于充满盲目性。本文旨在说明,足球有自身的规律性,足球不仅是运动,更是文化,是科学,是教育,它不但增强人民体质,也提高人的素质、提高人的修养,激励人们顽强奋斗。足球,凝聚一种精神。
足球是科学
把足球当做科学来研究,在西方日益受到重视。一些出色的物理学家投入了这个领域。清华大学物理系学生足球队翻译的《足球的科学》一书,就是一位英国物理学家John Wesson的专著。它论述了球在空气中的运动,各种触球的要领,竞赛理论,以及足球经济等等,并对空气动力学问题辅以完整的数学表达式。自此以后, 一些物理学家针对电梯球等足球中的特殊技术,做了认真的物理分析,并在一流学术刊物上发表。相比而言,我国在这方面的研究和整个足球界的状况一样,处于落后的地位。本文试图从这种研究开始,以足球的魅力和科学为主题,为中国足球事业的发展鼓动宣扬、出谋献策,尽绵薄之力。
足球的物理学 足球运动, 不管是正式比赛还是练习或游戏,都是足球在场上飞来飞去;而足球球体的运动,从物理学的角度来看, 就是一个弹性球体在空气中运行的典型的空气动力学问题。足球的运动服从物理规律:包括球的弹射与飞行,踢球的力度与角度,“香蕉球”原理,传球与截断路线的几何分析,控球的时间与空间把握,等等。这种运动的一般规律并不复杂,主要起作用的因素就是球的弹性与摩擦力(包括球的材质及表面结构)和空气阻力。但是有些情况稍许特殊,以弧线球(也称香蕉球)为例。
弧线球,也称香蕉球,指的是踢出的足球在空中飞行一道弧线,其落点偏离出射时的直线方向。尤其在罚任意球时,可以通过诡异的轨迹窜入对方球门之内。著名的英国帅哥球员贝克汉姆就以出众的脚法,通过罚出香蕉球来改变比赛进程而举世闻名。贝克汉姆是以右脚的脚内侧发出的弧线球,而巴西运动员卡洛斯在与法国队比赛时以左脚外脚背踢出的弧线球更是惊世骇俗。
旋转的足球在飞行中受到侧向力的推动, 是基于著名的马格努斯定律, 其方向为旋转矢量与速度矢量叉乘的矢量方向, 大小FL为
其中 Cs是空气的粘滞系数数,ρ是空气密度,a和 A分别是球的直径和截面积, ω是球旋转的角频率,v 是球的飞行速度。由此可以计算出,如果我们想把球踢到L那样远的距离, 而又产生D那样大的偏离时, 所需要的足球的旋转角频率为
式中 l 表示在 l 的长度内, 有足球那样大的截面积的体积中空气的质量与球的质量相同, 所以 l 代表空气密度。式(2)表明,球速越快,偏离距离越大,所需要的旋转越厉害。我们还可以求出香蕉球偏转的角度为
式(3)说明,距离越远、速度越慢,偏离角度越大。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。
香蕉球的要领在于球的旋转,所以对球员的脚法和球商都有很高的要求。贝克汉姆用右脚的内侧,踢球时要保障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。而卡洛斯则是用左脚的外脚背,其原理是相同的,但足球旋转和偏离的方向则相反。
球体材质与表面状态的影响 足球的材质和制法,从中国古代的蹴鞠开始,有很大的发展和变化。现代足球本来的基本形状如上图所示,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。
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。由于碳–60 在科学上的重要意义,它的发现被授予1996年化学诺贝尔奖。最后,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。特别有趣的是,这种表面结构在近代有了许多变化。
在2014年巴西世界杯上采用的 Brazuca ,号称桑巴荣耀的板式,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,只要你的脚法运用适当,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。
2018俄罗斯世界杯用球“电视之星18”只有6块拼接面料,6块面料通过无缝粘接技术组成一个完整的足球。筑波大学对本届世界杯官方用球“电视之星18”进行了风洞试验,发现其踢弧线球易,踢“电梯球”(又称落叶球)难。但运动员个人的发挥极其重要,C罗就证明,“电视之星18”是可以踢电梯球的。
足球的哲学
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