在談足球之前，先說高爾夫，因?yàn)樗幸粋€驚人的現(xiàn)象:高爾夫球越滑，飛得越遠(yuǎn)。

差別能有多大？在等力的情況下，粗糙球的飛行距離可以是光滑球的5倍！

這真的違背了人們正常的認(rèn)知。我們都認(rèn)為球體是最完美的形態(tài)，表面越光滑，球體在飛行過程中與大氣的摩擦力越小，用同樣的力應(yīng)該能飛得越遠(yuǎn)。

但是，高爾夫不是這樣。

之前比賽用的高爾夫球都是先用羽毛填充，再用皮革包裹，很難做成標(biāo)準(zhǔn)的球。1898年以后，高爾夫球的材質(zhì)逐漸被橡膠所取代，但此時(shí)人們發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象:球用的時(shí)間越長，打得越遠(yuǎn)。

這引起了當(dāng)時(shí)人們的好奇。經(jīng)過摸索，終于找到了原因。本來橡膠做的新球表面很光滑，但是用久了，表面的橡膠不是有些地方裂開了，就是有些地方磨損了。簡而言之，球面相當(dāng)粗糙。

這讓人們意識到高爾夫球的表面越粗糙，它就能走得越遠(yuǎn)。所以高爾夫的表面不再光滑，而是布滿了無數(shù)的“小酒窩”。

照片作者:沃爾夫

高爾夫的變化(圖片來自1919年出版的《高爾夫50年》)

現(xiàn)在出售的高爾夫球表面大約有250-450個“酒窩”，最高紀(jì)錄是一個球上有1070個酒窩。

在浙江大學(xué)任教38年的毛根海教授在他的《奇妙的流體運(yùn)動科學(xué)》一書中有這樣一個數(shù)據(jù):

相同條件下，飛行中有小酒窩的高爾夫球阻力只有光球的一半，飛行距離是光球的五倍。

問題是，為什么粗糙的球比光滑的球飛得遠(yuǎn)？原因很簡單。先舉個例子。

1968年阿波羅8號宇宙飛船返回地球大氣層的示意圖(圖片來自美國宇航局)

如上圖，飛船返回地球大氣層時(shí)，由于速度極高，飛船前端與大氣層發(fā)生劇烈碰撞，壓力極高。相反，后面空室的壓力很小，因?yàn)轱w船高速下落時(shí)會排出空氣體，后面空氣體更少，所以壓力當(dāng)然小。但是，當(dāng)后壓力很小時(shí)，就會產(chǎn)生吸力。

物體在流體中運(yùn)動時(shí)，前后壓差產(chǎn)生的阻力稱為“形狀阻力”。

為什么現(xiàn)代核潛艇都采用“水滴”形？這也是為了減少形狀阻力。

核潛艇哪里跑的更快？深海還是海水？之前很多人都錯了，我們討論了潛艇經(jīng)常使用“水滴”形狀的原因。

如上圖，頂部垂直板的形狀阻力最大，因?yàn)樗竺娴摹暗蛪簠^(qū)”面積最大，第二個球體的低壓區(qū)縮小為底部的水滴狀，其形狀阻力最小。

也就是說，在相同的條件下，減小阻力最有效的方法之一就是想辦法減小它后面的低壓區(qū)面積。

但是高爾夫球不能像核潛艇一樣做成水滴。我該怎么辦？通過流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光滑球的低壓面積比小凹坑球小。

航空圖片/航空航天工程師杰弗里·斯科特.

球上有無數(shù)個小酒窩，能使空空氣緊貼球面，使平滑的氣流在分離發(fā)生前沿球表面延伸到更靠后的位置。

守門員的噩夢

慶祝全世界(肖恩·史密斯照片)

“慶祝全世界”，這是2010年南非世界杯的指定球，也是被詬病的足球。

“就像精神病一樣?！庇型婕疫@么說。

“這個球是超自然的。它的軌跡很奇怪，好像不喜歡有人踢它。”有玩家這么說。

“一言為定！”有玩家這樣聲討。

…………

…………

毫無疑問，慶祝全世界足球是最近幾屆世界杯最受詬病的足球。

剛發(fā)布的時(shí)候，廠家宣傳球只用8皮拼接，完美包裹內(nèi)襯。這是歷史上最圓的足球。

不幸地...

"對于足球來說，最重要的一點(diǎn)是粗糙."當(dāng)BBC采訪空空氣動力學(xué)家梅塔博士時(shí)，梅塔博士說，“粗糙度決定了蝴蝶球效應(yīng)的最佳臨界速度。”

所謂蝴蝶球，是指棒球比賽中的球道。其特點(diǎn)是投手投出的球速度一般，但這是為了盡量減少球在飛行中的旋轉(zhuǎn)，從而造成不穩(wěn)定和不可預(yù)測的軌跡。

如上圖，一個拿著球棒的擊球手面對飄忽不定的棒球，最后目瞪口呆。

足球中的“香蕉球”現(xiàn)象要求足球旋轉(zhuǎn)足夠快，這樣足球才能繞過人墻，射進(jìn)球門。

但棒球中的“蝴蝶球”效應(yīng)要求投擲的棒球盡量不要旋轉(zhuǎn)。為什么？

棒球(圖片來自奧爾森. se)

棒球上有縫線。飛行中空氣流過縫線時(shí)，會產(chǎn)生更多的紊流。由于左右不對稱，湍流增加了棒球側(cè)的偏轉(zhuǎn)力。

圖片來自Pallo valmiina

傳統(tǒng)足球通常由32個用縫線拼接的球面組成?？p線的總長度和深度決定了足球的流暢度。針腳越多越粗糙。

常規(guī)足球通常以每小時(shí)48公里的球速產(chǎn)生最大的“蝴蝶球效應(yīng)”。

但由于總線跡長度較短，慶祝一整天的足球成為當(dāng)時(shí)最流暢的足球。空氣動測試后發(fā)現(xiàn)，球速在80-88 km/h時(shí)，蝶泳球效會最大化，80 km/h左右的球速正好是投籃和任意球的典型球速。

這些都是全民批判慶祝的理由。

2014年巴西世界杯，指定球是“桑巴榮耀”。謝菲爾德哈勒姆大學(xué)的研究員小斌博士發(fā)現(xiàn)，桑巴因球形縫合處的深度而獲得的榮耀是全民慶祝的三倍多。

另外，慶典的關(guān)節(jié)線總長約203 cm，而桑巴榮耀縫線總長高達(dá)327 cm。

增加縫線長度和深度的目的是為了增加足球的粗糙度。

小斌博士在接受BBC采訪時(shí)表示:表面粗糙的足球飛得更遠(yuǎn)，高速拍攝時(shí)，蝴蝶球效應(yīng)更少。

俄羅斯世界杯指定足球

圖片來自гсстссссааовснисов

本屆俄羅斯世界杯的指定球是“電視之星”(英文名Telstar 18)。顯然，因?yàn)槿裣葢c足球的教訓(xùn)，新球“電視明星”應(yīng)該不會再被明星罵瘋了，賣本地貨什么的了。

研究人員測量了電視之星的接縫長度，發(fā)現(xiàn)比桑巴榮耀的接縫長度長30%。為了避免過于粗糙，電視之星的接縫深度被減小了[2]。

“今年的球和之前的球不會有太大區(qū)別?！绷制姹じゼ醽喆髮W(xué)的一名物理研究員說。

日本筑波大學(xué)的研究人員將新球放入風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新球空的氣動特性與桑巴榮耀相似。

如上，這次世界杯的球應(yīng)該沒問題。但是對于普通大眾，尤其是男球迷來說，這個球最大的不足就是球面上的馬賽克圖案，太差了。

眾所周知，馬賽克是臭名昭著的。

最后祝大家游戲愉快！