想完美射門 足球與空氣摩擦力是關鍵

特約記者呂立翔 |2010.07.30
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世足賽落幕,這場賽事的熱門話題,除了章魚哥,恐怕就是本屆的比賽指定用球「普天同慶」了。

愛迪達為本屆世足賽研發的新球,頻遭球員抱怨飛行路徑捉摸不定,射門時常撞門柱或踢成「高射砲」越門不進。創下世足賽史上第二少的單場平均進球率(2.27球),比起1954年世足史上最多進球率的瑞士世足賽中每場5.38球,本屆世足賽每場平均少了3顆。

球員們抱怨球不受控制,無法照預期的方向行進。有三十幾年足球運動經驗的台灣師範大學運動競技系宮泰順老師表示,球是否會亂飄,大致受以下幾個因素影響。

以球本身來說,倘若足球表面因設計或做工不平整,會導致踢出後在空中與空氣的摩擦受力不平均,而使飛行路徑產生不規則變化。

當足球表面縫布張數愈多,固定縫布而產生的凹槽數目就會增加,連帶增加球與空氣間的摩擦力。宮泰順說,當球員運用球鞋與球面接觸位置,還有施力角度的不同,使得飛行中的足球快速旋轉時,球體本身和空氣高速摩擦產生的氣流變化,會讓飛行路徑大角度彎曲,即為俗稱的「香蕉球」。有黃金右腳之稱的貝克漢,他踢的香蕉球每秒即可旋轉達八次之多。

另外,比賽過程中,倘若球皮因為觸地吸水或沾上泥巴,也會造成球面不平整或重量分布改變,導致足球飛行路徑不規則。

NASA Ames研究中心的流體力學專家,為讓學生球員了解如何在比賽中,更有效運用世足賽新球的設計,於今年六月做的結果顯示,愛迪達在2006年的世足指定用球即採新設計,減少表面縫布的張數,從原本的32張減少為14張,本屆更減少到8張,縫布的減少意味著造成球體與空氣摩擦的凹槽變得更少。

這也使得球員想踢出大角度的曲球時,若用過去同樣的力道與技巧,球的飛行彎曲程度可能會不如預期。根據愛迪達公司所提供的資料顯示,為了減少表面不平整,縫布不再靠內縫線來固定,而改採熱黏合技術拼接,以減少內縫線造成的突出。足球表面縫布也採不吸水設計,避免球皮觸地吸水膨脹後,造成足球表面重量分配不均,導致飛行路徑不規則。

此項設計看似可解決造成飛行路徑不規則的問題,但為何球員們仍抱怨足球的飛行路徑不聽使喚?

NASA的太空梭工程師Rabi Mehta在該研究中指出,當足球表面愈光滑,及縫布間的凹槽愈平整或數量愈少時,在空中因空氣摩擦造成的旋轉效應會變小。可想像成是球體表面變得太光滑時,空氣很難在球面上找到一個著力點拉得住球,也較難造成球體的旋轉。

除此之外,球員可能因為球鞋與球體之間的摩擦力變小,在踢出的剎那,更難運用技巧製造球在飛行過程中的快速旋轉。當球員踢出一個飛行中幾乎不旋轉的球時,即會產生所謂的蝴蝶球效應(knuckle-ball effect)。即足球在空氣中飛行而幾乎不旋轉時,空氣很容易在球的外圍因球的凹槽形成不對稱氣流。這種不對稱氣流會產生一個側向力,瞬間將球推向某一個方向,進而產生不規則的彎曲或落下,這或許就是球員抱怨球路飄浮不定難以預測的原因。

宮泰順表示,影響球的飛行路徑原因多端,最重要的還是球員如何在比賽中快速適應環境,「畢竟在世足球賽中,雙方球員都得面臨同樣的環境因子,踢同一種球。」

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