足球的科学（上）

 

 

 

足球不仅是一项运动，或者是一项娱乐，还有丰富的科学内容。它本身是一个系统工程。足球与物理学，统计学等都有深刻的关系。

 

 

我向大家介绍一本书

就是《足球的科学》这本专著

这本专著是2002年在英国出版的

非常有意思的是它是由英国物理学会出版的

也就是说它作为一本物理的书出版

这本书的内容很丰富

 

它的前言就说到虽然足球是世界上第一运动项目

但是它的科学内容却很少受到大家的注视

这本书就涵盖了对足球进行科学分析的一个宽广的课题

首先从足球作为球体飞行的物理方面做一些研究

这是这本书的前一部分

 

这本书的第二部分严格来说不算是科学

也就是说它不是物理

但是它牵扯到比如说对运动员的培养

运动员的选择等等

它做了很多统计的研究

有一个事情比较有意思我可以先给大家讲

比如说它统计了出色的运动员出生的月份大概在九十月份比较多

这个原因一开始大家想不透

后来大家明白九十月份的同学入学比其他人差不多晚一年

因此他很容易被挑到校队里面去

因此从小受的训练就比别人好

可见有意识的从小就培养学生们参加足球运动，重视他们的年龄分布

也是一项科学研究

 

这本书的作者是John Wesson

他本身是物理学家

他在伦敦大学获得了物理学博士

他还把数学广泛的运用于各个领域

他还研究了高尔夫，实际在高尔夫方面，物理的研究远远要比足球多

他本身也是个运动爱好者

在退休以后从事各种运动，比如说乒乓球，高尔夫，网球等等

现在我们先从足球运动的物理规律讲起

足球运动作为一个球的运动

它本身是个弹性体

所以这本书实际上是从足球的结构，材质研究起

最早的足球远远不是现在的样子

实际上现代足球也在不断的发展

每一次世界杯都会启用新球

都在球的结构上，材质上有一些新的发展

下面，我们来了解一下足球的结构

足球一般是有三十二块外皮组成

其中十二块正五边形

二十块正六边形

配色用黑色和白色

黑色的是正五边形

白色的是正六边形

说起足球的结构

在科学上有一个非常有意思的现象

1985年发现的碳60结构

是一种天然分子

它以60个碳原子作为顶点

组成一个三十二面体

其中十二个面是五边形

二十个面是六边形

正好是像足球一样的多边形体

所以也被称为足球烯

由于碳60在科学上的重要意义

它的发现被授予1996年的化学诺贝尔奖

碳60这种结构非常紧密和坚固

足球采用这样的结构在大球中更适应强力的冲击

不过，随着现代科技的发展

足球的外观已经不仅仅局限在三十二块外皮

足球的颜色也有了多种多样的变化

 

所以它实际上是服从流体力学的规律

譬如说，它要受到空气的阻力

它要受到地面的反弹

它要受到球门门框的反弹

譬如一个很有意思的问题就是

如果射到球门上梁的话

以什么样的角度在什么位置会弹到球门线里边

或者不能弹到里边

当然现在裁判的技术更加发达了

就可以有鹰眼来判断

但是过去全靠裁判的眼睛

但是从理论上我们可以知道，如果它弹在什么位置

以什么角度进去，它实际上应该弹在里边的

另外一个很有意思的就是很多球迷不管懂不懂球

大家很感兴趣的就是所谓弧线球，或者香蕉球

贝克汉姆受到广大球迷的欢迎

特别是女球迷

他的绝招就是香蕉球

他可以把球踢出一个很大的弧线

然后拐进球门

当然这方面专家还有很多

譬如说巴西运动员卡洛斯

譬如阿根廷运动员梅西

所以我们下面就放几个他们踢香蕉球的视频

供大家欣赏

在研究香蕉球之前

我们首先研究一下踢球的发力过程

在这本书上，它以这样一个图来分解了腿的运动

就是髋关节是一个轴

膝盖是一个轴

实际上踢球的过程是先把腿甩起来

然后往前运动

踢球

从物理上来讲

当你甩起腿来往下运动的时候

实际上有一个离心力作用在你脚上面

所以就增加了脚对球踢出的力量

我们可以想象如果一个球在你跟前

你的脚不抬起来

就这么一脚踢出去

那不会踢得很远的

如果你真要踢得很有力的话

那必须做出姿势把腿甩起来

这样踢才能踢得远

那么在物理上其实这都是很简单的道理

在踢球的时候还有两个因素特别要考虑

一个就是空气阻力对球的运动轨迹的影响

空气阻力是无处不在的

所以你必须考虑到空气阻力

所以这个图就显示如果没有空气阻力

那守门员可能一脚就开到对方球门外边

但是在实际比赛中恐怕我们很少能看到这样的情况

如果能踢过中线

这是比较正常的

这个实际上是用同样的力量，当你考虑空气阻力的时候

这个距离差不多正好是合适的

这实际上也是球场长度的一个设计的根据

在下面最后有一节我们专门会讲

就是足球运动的设计含有很多的道理在里面

比如说球场为什么这么大

不大一点也不小一点

为什么每个队是十一个人，不是多一点少一点

为什么球门是那么大，不大一点也不小一点

为什么罚球是在十二码，而不是远一点或者近一点

所以这一切，它都是根据多年的经验，有一定的科学道理

踢球距离受另外一个影响的就是你踢出去的角度

这个从物理上很容易算

这个图上也显示出来，如果你踢球的角度太小

三十度，它很容易就落地了

如果你踢的太高

它也只高不远

所以最恰当的角度物理上非常容易算出来

就是四十五度

当然考虑空气阻力以后，这个角度稍微有点修正

好了，现在我们就到了研究香蕉球的物理

刚才我们已经演示了，香蕉球踢得非常漂亮

那么它的关键就是你看似它踢向某一个方向

但是球实际上偏转

这种偏转球的一个最重要的特点

就是球是旋转的

所以这个图上显示出

从左到右球的运动

这是球的运行的方向

球本身的转动是沿顺时针的方向

那么球偏转的一个解释就是

空气脱离开球在上面会晚一点

下面会早一点

所以整个流动会向下面倾斜

那么从平面来看就是向右面偏斜

我们刚才介绍了香蕉球的物理原理

那么香蕉球应该具体怎么踢法呢

我们有三个非常好的实例，三位足球大师

在踢香蕉球时的脚法

我们注意到，它和一般踢球的脚法不太一样

不是用脚的前部

而是用脚弓

或者用脚背外侧面

那么我们看贝克汉姆

他是用右脚脚弓内侧

卡洛斯完全不同

他用左脚外部的脚背

但是一个共同的特点，这种踢法脚和球接触的时间比较长

有一个相当长的时间可以带动球去转动

所以踢旋转球的一个最重要的关键

就是要和球有一个比较长时间的接触

然后使得球随着脚发生一个转动

在球出发之前

实际上转动对于球的运动不光是足球

其它球都有这个问题

都可以利用球的旋转造成各种不同的效果

比如说篮球我们在投篮的时候

篮球经常是往后旋转

它和足球往前旋转是不一样的

那么根据同样的道理

它有一个向上的力量

也就是它能够投到篮筐的上面去，然后落下来

打排球的时候大家也经常注意到

发所谓飘球

飘球就是把转和不转结合起来

使对方很难判断球是怎么落下来的

网球也有切球

侧面切使得球落地之后旋转

最典型的例子实际上是乒乓球

乒乓球是我们的国球，大家都看的比较多

乒乓球的侧旋，上旋，下旋

全在运动员的手腕和球拍的运转

最突出的就是所谓弧圈球

在打弧圈球的时候

运动员把球拍从很低的地方提起来

球拍和球有一个很长时间的摩擦

所以球的转动非常剧烈

这样的话，落到对方的球案以后

它极快的下坠

非常难接这种球

所以旋转不是足球的专利

但是足球，由于它距离比较长

效果比较明显

可观性比较强

所以特别引起人的注意

引起大家非常感兴趣的一个注意点