C罗踢出超帅“香蕉球”，原理是什么？

　　11月25日凌晨

　　葡萄牙对阵加纳

　　C罗破门

　　凭借这粒进球超越梅西

　　成为史上首位连续5届世界杯破门的球员

　　事实上

　　C罗踢出的这种球

　　在足球比赛中并不少见

　　2018届世界杯中

　　葡萄牙和西班牙相遇的小组赛

　　C罗在最后时刻力挽狂澜

　　踢出被解说员叹为

　　“翩若惊鸿，宛若蛟龙”的

　　“C型”任意球

　　被踢出的球为什么会迅速升降？

　　又为什么会“拐弯”呢？

　　首先我们来了解一下任意球

　　任意球是啥？

　　任意球是罚球的一种，它是一种在足球（或手球）比赛中发生犯规后重新开始比赛的方法。

　　任意球分两种：直接任意球和间接任意球。

　　直接任意球：踢球队员可将球直接射入犯规队球门得分；

　　间接任意球：踢球队员不得直接射门得分，球在进入球门前必须被其他队员踢或触及。判罚前场任意球后会使用一种泡沫喷剂划定球的摆放位置，以及人墙的站位，发任意球时需要用手触球，然后在裁判哨响后踢球。

　　什么是“香蕉球”？

　　在1997年，在巴西对法国的一场足球比赛中，巴西足球运动员Roberto Carlos，在没有通向球门的直接路线的情况下，从35米外开出一个任意球。他的射门使球飞过球员，并在快要出界的时候急转向左，砸入球门。

　　图源：“香蕉球”图解

　　球的突然拐弯让在场球员，特别是法国守门员根本来不及反应。这个史上最漂亮、最具标志性和最违反物理学定律的任意球，被叫作“香蕉球”。法国物理学家对此研究了数年，终于用“马格努斯效应”解释了这个问题。

　　马格努斯效应

　　图源网络

　　当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体飞行轨迹发生偏转，这是流体力学中的一种现象。

　　图源：陕西师范大学物信院 马格努斯效应示意图

　　旋转物体之所以能在横向产生力的作用，是由于物体旋转可以带动周围流体旋转，使得物体一侧的流体速度增加，另一侧流体速度减小。

　　是不是听得云里雾里？来看一个动图：

　　“香蕉球”轨迹

　　球在气流中运动时，如果其旋转的方向与气流同向，则会在球体的一侧产生低压，而球体的另一侧则会产生高压。运动员的用力方向朝右，所以足球逆时针旋转。拐点处足球左侧产生低压，右侧产生高压，这样就导致足球存在横向的压力差，并形成向左侧的力。

　　图源：NKPhysics

　　根据物理公式，距离越远，速度越慢，球偏离角度也就越大。因此，我们能看到在“香蕉球”运行的末尾时刻，会发生更剧烈的偏转，给守门员一个巨大的“惊吓”。

　　“电梯球”又是啥？

　　回到文章开头提到的2018年世界杯C罗“力挽狂澜”的任意球，这一球不止踢出了上述“香蕉球”的概念，同时也混合了“电梯球”。

　　不知道“电梯球”的朋友可以先来欣赏一下↓

　　注意了，球本身没有任何旋转，球的初始球速很快，门前突然下坠。

　　这就是“电梯球”，初始速度很快，迅速上升且突然下坠，有人形象地比喻为“先将电梯迅速升到6楼，再急速降到1层”，因此得名“电梯球”。

　　“电梯球”还有一个特点，就是在飞行过程中，有一定的飘忽感，会出现左右S型诡异路径，让守门员不好防守。

　　图源： 中国物理学会期刊网 皮尔洛的“电梯球”

　　那“电梯球”又是什么原理？

　　一般来说，足球的初始速度要踢到100-120公里/小时，才会形成“电梯球”。而且，“电梯球”由于空气阻力作用飘忽不定，所以守门员很难判断。

　　2012年，世界上很有名的物理学家Cohen和他的学生发表过一篇论文，详细解释过“电梯球”的物理原理。Cohen教授认为，对非旋转球体，当起始速度小于末端速度时，球体成抛物线运动，而当起始速度远大于末端速度时，球下落时急坠。

　　实际上，如果按简单的物理知识来解释也不难。我们知道，空气阻力跟物体速度平方成正比，速度越快，阻力越大。“电梯球”的初始速度要很快，踢出后，球本身受到空气阻力也会突然增大，而且短时间会把球在水平方向的力消耗掉，这个时候，足球就会主要受重力影响，迅速下落。

　　图源：科学世界

　　好了，“香蕉球”“电梯球”，大家大体知道了。那么，我们再来看看C罗对阵西班牙时的那脚任意球。

　　通过镜头慢放可以发现，球速非常快，球本身有微小的旋转，而球自转的方向是侧旋，最后也有明显下坠。

　　这是一个“电梯球+香蕉球”特点于一球的任意球，C罗球技就是高！

　　我也能踢出和C罗一样的球吗？

　　研究人员在进行场景模拟时发现，要想让100公里/小时以上速度的任意球避开人墙（假定在距离约9米远的位置有5名身高1.8米的对方球员并排）成功射门，球离开地面时与地面的夹角必须控制在15°～17°之间，也就是仅有2°的精度范围（在距离球门25米的位置，踢出转速为每秒8转的侧旋弧线的情况）。 如果是足球，以每小时90千米的速度每秒旋转8转，球会在这个距离内弯曲3米以上。

　　图源见水印

　　而踢出弧线的关键在于，落脚点在偏离球心的位置，偏离球心的幅度越大，球的转速越快。有研究人员称，安德烈亚·皮尔洛等优秀的任意球球员会使球的旋转轴倾斜角度大于侧旋，让马格努斯力倾斜向下发挥作用，从而踢出“球速快、大幅弯曲的同时又急剧下沉的”球路。

　　（来源：广东科普 武汉科学技术馆）

　　【编辑：姚昊】