新世界杯用球如何设计才能不影响比赛

每四年世界杯都会有一款新球——而每四年球员们都会对它不满意。也许它太轻，升力太大，比如 2002 年的 Fevernova。或者它可能在空中意外摆动，让守门员更难预测其运动，比如 2006 年的 Teamgist。或者它可能突然改变速度，从空中掉落并导致意外手球，比如 2010 年的 Jabulani。

在世界杯层面，足球空气动力学的这些微小变化确实会影响球队的表现，因此世界杯用球受到严格审查也是意料之中的事。“你可以说，它是世界上最受欢迎的运动中最重要的装备，”林奇堡大学物理学教授约翰·埃里克·戈夫说。

戈夫说，每一款世界杯用球都是阿迪达斯设计的，除了销量大卖之外，该公司的工程师们也一直在努力设计出更完美的足球。理想的足球是布满凸起的完美球体，表面的纹理恰到好处，足以让球周围的气流略微紊乱。这听起来可能有点不直观，但足球上的凸起和凸起使其更具空气动力学特性，有助于足球在空中更稳定地飞行。

2018 年俄罗斯世界杯的 Telstar 18 球形堪称完美。它表面有细微的凸起和六块热粘合面板，旨在避免踢出不旋转的球时产生的典型摆动和摇摆运动。所有 32 支球队从 11 月起就已经开始使用该球进行比赛，为 6 月 14 日至 7 月 15 日举行的世界杯做准备。然而，尽管 Telstar 18 与旧款比赛用球有相似之处，球员们还是对它颇有微词。与过去几届世界杯用球相比，Telstar 18 与 2014 年巴西世界杯用球非常相似。它在球场上飞得不会那么远，在空中的摆动方式也略有不同，但空气动力学测试表明它在空中总体上会更稳定。

“我有点同情那些不得不适应新球的球员，尤其是守门员，”戈夫说。到目前为止，从 11 月开始使用 Telstar 18 的几名守门员已经对它提出了批评，他们对球在空中的移动方式和球面的感觉不满意。守门员与球场上的其他球员不同，他们必须预测球的去向才能挡住它，同时又不能自由地在球场上跑来跑去，根据球的飞行情况进行调整。这意味着守门员往往对新设计的抱怨最多。“每次举办世界杯并推出新球时，守门员都会抱怨，因为他们得到了一个新球，”戈夫说。

戈夫利用风洞研究了 Telstar 18 的飞行特性，绘制了它的阻力曲线，以发现球在空中可能下降和转向的位置，类似于克里斯蒂亚诺·罗纳尔多喜欢的指节球任意球。“即使从空气动力学角度来看，Telstar 18 与 Brazuca 没有太大区别，但它的摆动方式仍会略有不同，因为面板形状不同，”戈夫说。

任何物体在空气中飞行时，都会有一层薄薄的气垫包裹着它，保持相对静止。正是这个边界层让你的吊扇上积聚了灰尘。在较低速度下，足球周围的空气在表面平稳移动，并在球最宽处与球的两侧分离。戈夫解释说，想象一下一个球从右向左穿过时钟，也就是从 3 点移动到 9 点。在层流下，空气流过表面，然后在 12 点和 6 点处流出，从而产生更大的空气阻力。阻力会使球速更快减慢。在较高速度下，空气湍流过球表面，并在 2 点和 4 点处剥离。风会有效地从球后方绕过。这种湍流的阻力较小，这意味着球可以保持高速运动更长时间。

诀窍在于，飞行物体有一个临界点，周围的空气从湍流变为层流（反之亦然）。根据足球进行这种转变的速度，球员可能会遇到问题。

2010 年，南非世界杯上臭名昭著的 Jabulani 足球在 50 到 45 英里/小时的速度下从湍流转变为层流，正好是角球和任意球的速度。这些不同类型的流动之间的转换会对球造成更大的阻力，这导致 Jabulani 在空中摇晃并以球员意想不到的方式下落。

“如果我在 2010 年南非世界杯之前看到 Jabulani 的阻力曲线，我就会打电话给国际足联和阿迪达斯，让他们不要使用这种球，”戈夫说。戈夫说，Jabulani 在长传中变得难以预测，像沙滩球一样，这确实帮助西班牙队在 2010 年赢得了胜利。西班牙队几乎完全依靠短距离精准传球，没有使用 Jabulani 球时不稳定的长传。“这是一支真正适合这种球的比赛风格的球队的完美典范，”戈夫说。

今年，这款足球不应该对哪支球队赢得世界杯产生那么大的影响。在风洞测试中，戈夫发现 Telstar 18 的空气动力学外形与 2014 年的 Brazuca 足球非常相似，后者在飞行时不会像 Jabulani 那样摇晃。戈夫说，Jabulani 是第一款拥有六条接缝的足球，尽管表面粗糙，但它太光滑了。Brazuca 发布时，它的接缝比 Jabulani 多 68%，有助于改变球周围的气流。Telstar 18 的改进更大。戈夫发现，Telstar 18 不会在任意球中途转变为层流，而是在 38 英里每小时的较低速度下就会经历阻力危机。

此时过渡是理想的，因为短传会在时速低于 38 英里时发生，而角球和长传会在更高的速度下发生。在 Telstar 18 上，接缝的位置、接缝长度以及覆盖球表面的颗粒形成了微妙的设计元素，可控制球的移动方式。

在制造这款足球时，阿迪达斯试图打造一款飞行速度尽可能均匀、稳定的足球。阿迪达斯在一份声明中表示：“这种结构还能增强击球时的力量分布和一致的反应。表面纹理进一步优化了足球的飞行、触感和表面滑行。”

澳大利亚皇家墨尔本理工大学空气动力学工程师 Firoz Alam 表示，尽管与 Brazuca 有相似之处，但这款足球与球员在过去四年中习惯的足球之间存在一些差异，这将对比赛产生影响。Firoz Alam 也对 Telstar 18 进行了风洞测试。他说：“球员在短传时必须用力一点，因为在低于 60 公里每小时 [或 37 英里每小时] 的速度下，它的飞行阻力比 Brazuca 要大。”Jabulani 难以应对的中距离传球和角球问题已得到解决。与 Brazuca 相比，Telstar 18 在 40 至 50 英里每小时的空气动力学效率更高，因此 Alam 表示球员实际上必须踢得更轻一些，否则他们可能会踢得过头。在超过 55 英里每小时的速度下，这两个球的感觉会非常相似。

然而，在戈夫的风速测试中，他和他的团队注意到 Telstar 18 在高速时阻力稍大，并预测长传球时球在球场上的飞行距离将减少约 8% 到 9%。这意味着，德国守门员曼努埃尔·诺伊尔 (Manuel Neuer) 被认为是 2014 年德国队获胜的关键因素，但这次在清球方面可能不会有太大影响，戈夫说。“你会看到他把球踢得很远，[本届世界杯] 你可能会注意到，其中一些球不像以前那么长，”戈夫说。

阿拉姆说，尽管踢球距离最终可能会略短一些，但这些变化让 Telstar 18 更加平衡。阿拉姆和他的团队发现，在其他球上，根据踢球与接缝的关系，球的飞行方式会有所不同。他的测试发现，Telstar 18 球没有那么多变化。Telstar 18 的接缝总长度为 14.1 英尺，比 Brazuca 多 3.28 英尺。由于接缝更长，面板更对称，无论球如何转动，暴露的接缝长度都相同。“其他两个球不是这样，它们有显著的不同，”他说。

戈夫表示，由于接缝长度增加，这款球实际上存在过于粗糙的风险。“这些纹理的微小变化都会产生明显的空气动力学影响，”他说。Telstar 18 的阻力曲线与 Brazuca 几乎相同，空气动力学特性的变化速度也大致相同，这一事实令人印象深刻。“这肯定是一项工程和技术挑战，”他说。

“我们发现 Telstar 18 球上的凹槽和颗粒非常整齐，而且略微扁平，”阿拉姆说。球表面的颗粒不像 Brazuca 那样凸起，接缝比过去更窄更浅。阿拉姆说，球的所有元素——接缝长度增加、颗粒图案更规则、颗粒和接缝形状有序——使球更加对称、平衡。“我们希望这种球具有更好的飞行稳定性。”由于俄罗斯所有 11 个体育场都处于同一海拔高度，阿拉姆说，这种球在所有比赛中应该都以相同的方式发挥作用。

考虑到这一点，对于本届世界杯，我们或许不能将奇怪的打法和怪异的射门归咎于足球。现在一切都在球员身上。