南非悲喜剧,“普天同庆”制造?

2010年南非世界杯已经落下帷幕,诸多评论家皆冠之以“有史以来最诡异世界杯”的称号。且不论众多大牌毫无建树,光是频频上演的门将“黄油手”事件便足以让看客们大跌眼镜。无数指责声,都导向了开赛前被吹上了天的比赛用球——“普天同庆”。

“普天同庆”真有那么大能耐吗?让我们一起来看看吧。

精巧的设计和强大的数据

“JABULANI”,南非世界杯比赛用球中文直译意为“普天同庆”。单纯从设计角度出发,阿迪达斯公司对他们发布的第11个世界杯官方用球动足了脑筋。

它历史性地仅用8块表皮,通过热黏合技术拼接而成。由于接缝减少,使得它的击打面比2006年德国世界杯比赛用球“团队之星”增加了70%。同时,8块表皮使用了乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)和热塑性聚氨酯弹性体(TPU)相结合的材质,并采用球形制模方式实现三维立体结构,从而完美地包住球体内胆,使足球达到前所未有的圆度。

此外,“普天同庆”的球面采用了超微凸纹表皮设计,并且在适当的位置嵌入了清晰可见的空气动力凹槽。这种设计增加了球员触球时的足部舒适感,还有助于提高足球的飞行稳定性。

之后,对“普天同庆”进行的一系列实验给予了阿迪达斯公司充分的信心。从下表中的数据我们可以看出,“普天同庆”要远远优于国际足联所规定的标准比赛用球。然而实际使用效果却出乎所有人的意料,这就要从足球飞行过程中牵涉到的空气动力学谈起了。

边界层理论与马格努斯效应

1904年,德国科学家普朗特提出了流体边界层的概念。从此,足球的研究有了足够的理论支持。

简单来说,在空气中直线前进不旋转的足球,同球面接触的空气永远和球面上的那个接触点拥有相同大小和方向的速度。可以这么认为,紧贴着球体的一层空气是足球的“皮肤”,与球同进同退,如影随形。而“皮肤”外面的空气则是足球的“内衣”,它相对比较“宽松”,速度要低于“皮肤”。“内衣”外面还有一件件“外套”、“羽绒服”……一层层向外推,如果某一层空气速度只有球面接触点速度1%的话,那么这就是边界层的外层边界。外层边界一直到球体之间的部分合起来就是边界层。

有趣的是,在球体运动过程中,边界层会出现分离。这是因为边界层很薄,紧靠物面,沿物面法线方向存在着切向速度的梯度,并因此而产生黏性应力。黏性应力对边界层的空气来说是阻力,所以随着空气沿球体向后流动,边界层内的空气会逐渐减速、增压,球体后的边界层会变厚。慢慢地,最外层的“衣服”跟不上球体的速度了,足球只好把它“脱掉”。不过脱下来的“衣服”一时半会儿没法甩干净,它会在足球后面乱飞,拖慢足球的速度。

若足球一边飞还一边转,那就更有意思了。旋转的球体总有一面是“逆流而上”,另一面则是“顺流而下”。奇特的是,逆流的那一面比顺流的那一面更“积极”。从物理学角度讲,就是:边界层分离总是在迎风面提前,顺风面延迟。这种不对称性造就了重力和阻力以外的横向力。也就是说,足球会一边转,一边慢慢向顺风面飞过去——香蕉球,就这么形成了!即足球中的马格努斯效应。

那么“普天同庆”为何会被认定是众大腕儿饮恨南非的罪魁祸首呢?这就涉及到了另一个物理现象——湍流作用。

湍流作用及慢速变化球

湍流是流体的一种流动状态。当流体流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,也称为稳流或片流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小旋涡,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还会相互混合。这时的流体作不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生,这种运动称为湍流。

如果对上述定义没有概念的话,那么可以回想一下某些大片中的情节:主角正在万米高空欣赏风景,突然之间飞机剧烈震颤、翻转、向地面栽去!经过驾驶员不懈努力,飞机终于摆脱了无形的魔鬼,回到蓝天——这无形的魔鬼,就是湍流。现实中的驾驶员,可未必有电影里的好运气,因为因湍流而造成的飞行事故屡见不鲜。

在足球中,湍流时不时会来捣一下乱。飞行中的足球,特别是不旋转的足球,当它速度达到一定值时,球体的雷诺数(雷诺数,一种可用来表征流体流动情况的无量纲数,利用雷诺数可区分流体的流动是层流还是湍流,也可用来确定物体在流体中流动时所受到的阻力)会超过临界值,阻力系数突降,边界层会发生转捩——边界层中的空气由层流变为湍流。随着球速下降,球体运动的雷诺数低于了临界值,则湍流消失。

如果一个球表面不光滑,而且存在凹凸接缝的话,在湍流的来回折腾中,很容易产生诡异的运行轨迹——即足球场上凶名赫赫的慢速变化球。

细心的读者想必已经看出端倪了:阿迪达斯公司引以为傲的超微凸纹表皮设计和空气动力凹槽,令“普天同庆”在相同初速的情况下,比一般足球更容易成为慢速变化球!虽然不能说南非世界杯的几出悲喜剧完全是由“普天同庆”一手造成的,不过“帮凶”之名倒也不算冤枉了它。