本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
1997年,巴西后卫罗伯托·卡洛斯在与法国的国际比赛中,在约30米外踢出一记强力任意球。他当时不可能知道,十几年后科学家们仍在讨论他的壮举。事实上,他甚至不可能知道球会出乎意料地找到球网。但球确实找到了球网,它远远地偏离了法国防守队员的人墙,猛烈地向左弯曲,然后擦过球门柱内侧。法国守门员只能转过身,难以置信地看着球停在了他的球门里。
有人能在如此远的距离将球踢过世界级的守门员,而守门员甚至连向球的方向扑救一下都没有,这似乎是不可能的。但根据一项研究显示,球的飞行轨迹具有欺骗性可能与踢球的距离有关。这项研究由一队法国科学家进行,并于9月2日发表在《新物理学杂志》上。该研究小组发现,当距离足够远时,旋转球的轨迹会突然改变,从平滑的弧线变为急剧的向内弯曲。“只要射门足够有力(这是罗伯托·卡洛斯能力的另一个特点),球的轨迹就会突然向球门弯曲,而且速度仍然足够快,足以让守门员措手不及,”该研究的作者报告说。
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来自巴黎高等物理化工学院和帕莱索理工学院的研究人员,用弹弓将小型塑料球射入水池,以研究阻力如何影响在水或空气等介质中运动的旋转球。
他们发现,旋转球在受到阻力减速时,会沿着一种圆弧运动,并且会受到所谓的马格努斯效应的推动而偏离直线路径。马格努斯效应会使旋转物体(如美国职棒大联盟的曲线球)产生弧形轨迹。但是,球的速度下降得比它的旋转速度快,在某个时刻,旋转在引导球的路径中占据主导地位,从而在球的轨迹中产生突然而剧烈的弯曲[见上方照片]。(基本概念并非全新;1998年《物理世界》一篇关于足球物理学的文章援引了20世纪70年代的关于高尔夫球的研究来描述这种现象。)这种螺旋式弯曲发生的时间取决于许多因素,包括球的大小、密度、速度和旋转,以及周围流体的密度,无论是空气还是水。
研究人员估计,对于一个踢得很好的足球来说,可能会出现一个缓慢的弧线,然后在50米左右出现一个急剧的弯钩——这与罗伯托·卡洛斯的任意球距离大致一致。换句话说,如果一名足球运动员有足够的力量将球以足够的速度和旋转踢到半场,他或她就可以期待球的轨迹后期出现意想不到的弯曲。
对于有抱负的棒球投手来说,这个消息并不那么令人鼓舞:虽然马格努斯效应对曲线球来说效果很好,但这项新研究中描述的后期变化运动不会对一个硬投的棒球产生影响,除非距离达到160米——大约是投手丘和本垒板之间距离的10倍。
图片来源:新物理学杂志