图源:FIFA
被判点球后C罗亲吻足球
他闭上双眼 ,深呼吸
然后助跑、果断起脚
皮球势大力沉直窜对方球门
图源 :新华社
C罗也成为历史首位
连续五届世界杯取得进球 的球员
大家观看比赛时有没有想过
在如此多的球类运动中
足球的球速 是最快吗 ?
哪种球飞得最远 ?
球速之“王”竟然是它?
所有球类运动无非是用手、脚 、球棒或球拍击打球,球的尺寸 、形状和重量差异使得它们具有不同 的速度以及运动轨迹。
那么问题来了,在这些球类运动中 ,速度最快的是哪种球?是令人热血沸腾 的足球, 是挥汗如雨 的网球 ,还 是快得看不清轨迹的乒乓球 ?
图源 :摄图网
答案其实是外形最不像球 的羽毛球 。
目前吉尼斯官方认可的最快的羽毛球记录来自丹麦选手科丁 ,2017年1月10日 ,在印度羽毛球超级联赛上 ,科丁在正式比赛中杀出一记速度高达426 公里/小时(约118 m/s)的杀球。这意味着什么?这个记录中羽毛球 的最高速度,比“复兴号”动车组列车最高运行时速(400公里/小时)还要快。
图源 :Physics of ball sports各种球类运动 的最高运动速度
羽毛球为什么能飞得那么快 ?原因其实并不复杂,主要是因为羽毛球比较轻(重量只有5克) ,并且球拍足够长(不超过680mm) 。
图源 :Annu. Rev. Fluid Mech 各种球 的尺寸 、重量及速度等基本参数
球体在空中 的运动往往只受到空气阻力和重力的作用 ,它 的速度一般只会逐渐减小(篮球等例外)。想要获得最快 的运动速度 ,球体需要在离开运动员接触 的瞬间获得最大 的加速度 。相对于网球、足球和其它球体,羽毛球非常轻,因此同等大小 的力在它身上则会产生更大的加速度 。
图源:Physics of ball sports 高尔夫球和羽毛球的挥拍动作
最能“飞”的球——高尔夫球
高尔夫球 是飞得最远 的球 ,单次击球可以移动200米以上,标准高尔夫球场 ,一般布置18个球洞,总长度要控制在6002~6400米,球场面积50~75公顷(1公顷=10000平方米) ,实际大小要根据球场 的地形来确定 。
不仅如此 ,高尔夫还走出了地球,成为了首个星际间 的球类运动项目 。1971年2月6日,执行阿波罗14号任务的宇航员艾伦·谢帕德(Alan Shepard)挥动球杆在月球上打起了高尔夫球 ,从而使他成为有史以来第一位,也是目前唯一一位在月亮上打过高尔夫球的人。
图源:NASA 正在月球打高尔夫球的宇航员艾伦
高尔夫球有一个让人大跌眼镜的现象 :越是光滑的高尔夫球 ,越 是飞不远。
我们都认为,球形是最完美的形体 ,表面越 是光滑,则在飞行 的过程中,球面与大气 的摩擦就越少,同等用力的情况下 ,理应飞得越远 。但 是 ,高尔夫球不 是这样。
图源:《高尔夫50年》高尔夫球的变迁
毛根海教授所著《奇妙 的流体运动科学》一书中 ,有这么一个数据:同等条件下,布满小酒窝 的高尔夫球 ,它在飞行中所受到的阻力只有光滑球 的一半,而飞行距离是光滑球 的5倍。物体在流体中运动时 ,前后压力差所带来 的阻力就叫做“形状阻力” 。现代核潜艇使用“水滴型”外形就 是为了减少形状阻力。
图源 :科普中国
如上图 ,顶部 的垂直竖版 ,其形体阻力最大 ,原因 是其后方的“低压区”面积最大,第二个球体 的低压区有所减少,直至底部 的水滴型 ,其形状阻力最小。通过流体力学实验,人们发现,光滑的与布满小酒窝 的球相比,后者产生 的低压区面积更少。球上 的无数小酒窝 ,它可以起到让空气紧贴球面 的作用,这使得平滑 的气流能顺着球体表面延伸到更靠后 的位置时才产生分离。
图片来自航空航天工程师Jeffrey A. Scott
最受欢迎 的球类运动——足球
无论是从影响力 、参与人数还 是赛事热度来看 ,足球都 是当之无愧的世界第一运动 。不过今天既然讲到球速和形体阻力的问题 ,那么我们也一起来看看足球缝线对足球轨迹的影响 。
图源:百度百科
普天同庆足球 是2010年南非世界杯决赛阶段设计 的新款足球,也是最近几届世界杯中,最饱受批评的一个足球。在它还刚刚面世时 ,生产厂家就宣传说:这个球只用了8块表皮就将足球拼接完成,完美地包住了内胆,这 是史上最圆 的足球。
然而 ,这颗球却是守门员 的“噩梦”。空气动力学家梅塔博士提出,“粗糙度 的大小 ,决定了出现‘蝴蝶球效应’的最佳临界速度是多少。”
蝴蝶球轨迹蝴蝶球指的是球在空中飞行时几乎没有旋转 ,从而导致它 的飞行轨迹不可预测 ,守门员很难判断 。蝴蝶球的原理 是球表面上有缝线,在飞行过程中 ,气流经过缝线时 ,会产生更多湍流 ,由于左右不对称 ,湍流增加了球侧面 的偏转力 。尾流左右摇摆 ,飞行飘忽不定,如飞舞蝴蝶 。
图源:中国科普博览常规足球通常将32块球面通过缝线拼合而成,缝线的总长度以及缝线 的深度决定了足球 的光滑度 ,缝线越多越粗糙 。常规足球一般在48公里每小时球速时才会产生最大化 的“蝴蝶球效应”。
而普天同庆足球,由于其总缝线长度很短 ,导致其成为当时最光滑 的足球 ,经过空气动力学试验 ,人们发现,在80~88公里每小时球速时 ,普天同庆才会产生最大化的蝴蝶球效应 ,而80公里左右时速恰恰是射门 ,以及任意球的典型球速。
END
资料来源:央视科教、科普中国、中国科普博览 、知乎
整理:董小娴
中国科技馆恢复开馆******
1月10日,中国科学技术馆恢复开馆,观众可通过该馆官网或中国数字科技馆公众号提前预约购票 。图为小朋友正在与体感机器人互动。杜建坡摄/光明图片
《光明日报》( 2023年01月12日 08版)
(文图:赵筱尘 巫邓炎)