科学家通过空气动力学研究世界杯用球的科技秘密

26日凌晨，阿根廷与尼日利亚上演了一场进球大战。上半场补时阶段，“小跳蚤”梅西主罚的任意球划出一道高高的弧线，尼日利亚门将只能目送皮球蹿入球门。

世界杯开赛至今，已有多名球员打入精彩入球。这些入球，有的力道十足，有的弧线诡异，有的角度刁钻。打入这些世界波的球员，除了比赛状态正佳，与队员配合默契外，还少不了本届世界杯比赛用球“桑巴荣耀”的功劳。

2014年FIFA世界杯引起了很多球迷的兴奋，其中也包括NASA的工程师们。尽管NASA没有参与到足球的设计或测试工作，但科学家们认为，世界杯比赛提供了解释空气动力学原理的机会，通过研究世界杯用球，会让人们了解足球背后的科技奥秘。

“普天同庆”太诡异

在位于美国加州的NASA艾姆斯研究中心的实验室里，科学家们利用烟雾、激光和流体搭建了一个测试间，通过空气动力学来研究2014年巴西世界杯用球“桑巴荣耀”的科技秘密。

艾姆斯研究中心空气动力学首席实验师拉比·梅塔介绍说，空气动力学的研究对象是空气和液体，它们在空气动力学研究中被统称为“流质”。拉比·梅塔和工程师们将“桑巴荣耀”、传统足球和2010年南非世界杯用球“普天同庆”等测试球分别放入测试水道。

在这个长约43厘米的水道中，研究者利用荧光染色的液体来观察球体周围的流体形态。他们发现，世界杯参赛选手通常的踢球速度在每小时80到89公里之间。更加光滑的“普天同庆”在约80公里每小时的速度时能产生最大电梯球效应，这解释了2010年世界杯时，球员会经常踢出电梯球。

“普天同庆”虽然容易产生电梯球，但这款球形状太圆润，飞行轨迹更加飘逸。美国媒体报道称，在2010年南非世界杯时，“普天同庆”所表现出的一些“超自然”运动状态，不仅让门将无所适从，前锋中场队员也连连抱怨，称这款球无法控制。

电梯球更难踢了

充分利用球的飞行特性来获得运动优势并不新奇。以棒球比赛为例，投手根据球的缝线控制球的旋转，投出弧线球、快球、滑球、指间球等不同轨迹的球。对足球而言，虽然球体表面并没有突出缝线，但大部分足球球面是有接缝的。

与之前的世界杯比赛用球相比，“桑巴荣耀”具有更少的面，但这些类似手指形状的面之间的接缝长度却增加了。相比“普天同庆”，这些接缝的深度也变深了。球面上还布满了凸起，所有这些因素都会影响球的空气动力学特性。

在通常印象中，气体是围绕球体进行运动的。实际上这种说法并不准确，围绕球体的气流并不平滑，在球后方会产生相当大的拉力。比如，在高尔夫球场上，较为光滑的高尔夫球比正常的、凹凸不平的高尔夫球前进的距离要短。球体表面的小窝能搅动空气，在球体后方产生较小的低压尾流，从而减少拉力，使球运动距离变长。

“在球体表面附近会形成一个很薄的空气层，称为边界层，正是边界层的状态和变化影响了球的运动，”拉比·梅塔说，“足球所使用的材料，球面的粗糙程度都会影响其空气动力学特性。”

球面越光滑，要踢出电梯球所需的速度就越高。由于“桑巴荣耀”增加了球面的粗糙度，产生最大电梯球效应临界速度降到了48公里每小时。因此，以世界杯赛场上通常的踢球速度而言，“桑巴荣耀”整体粗糙度的增加将减少电梯球产生的概率。

“桑巴荣耀”更稳定

2006年德国世界杯的“团队之星”，2010年南非世界杯的“普天同庆”，都不受门将待见。他们抱怨皮球运行的轨迹过于诡异。本届世界杯上，“桑巴荣耀”的表现还算正常。

据悉，“桑巴荣耀”的球体表面由五层材料组成，确保足球在踢过之后能够恢复其原来的形状，这使球面特别持久耐用，富有弹性。球皮的最里层是黏合涂层，在此之上是聚氨酯泡沫塑料，由数百万气体填充的微球体组成。足球的外表皮包括三层具有不同厚度的紧凑层。这些紧凑层能够出色地抵抗外部影响和磨损，并实现足球的高弹性。此外，其球体表面还具备50000个小凸点，其能够增加皮球与脚的接触面，增加触球时球体的旋转。

美国航天局艾姆斯研究中心的拉比·梅塔说与“普天同庆”相比，“桑巴荣耀”的移动速度和稳定性更好。“球员们应该会对这个新的比赛用球更加满意。它的飞行稳定性更高，踢起来更像由32个平面拼接起来的传统足球。”

去年测试时，作为门将测试的代表，西班牙队队长卡西利亚斯就表示：“‘桑巴荣耀’的设计让人称羡，有强烈的巴西风格。它与欧冠比赛用球非常类似，因此我相信球员们对此会非常开心。我期待在巴西与这款绝妙的足球共舞。”也许，正是因为“桑巴荣耀”重量轻球速快、皮球飞行轨迹稳定，才刺激了本届世界杯能够产生更多的进球。卡西利亚斯遭遇两场耻辱性的比赛后，提前告别了世界杯赛场。