卡塔尔世界杯的新球AlRihla可能不再乱飞了

1970年以来的每届世界杯，主赞助商之一的阿迪达斯都会推出一个新的比赛专用球，今年的新球被称为Al Rihla。林奇堡大学的物理学家 John Eric Goff 是一位流体力学专家，也是一位热情的球迷，根据他的研究，本次世界杯使用的足球可能是历届世界杯专用球中综合性能最为均衡的一个。

法国前锋 Kylian Mbappe 体验在2022年卡塔尔世界杯上启用的 Al Rihla。

图源：Franck Fife via Getty Images

在足球比赛中，很多时间足球都处于飞行状态，无论是射门、任意球还是长传，一旦被球员踢出，足球的飞行轨迹就无法再被干预了，而它是否按照球员的想法飞向理想的落点，往往就取决于足球与空气之间的相互作用。

当球在空气中飞行时，一层薄薄的、几乎静止的空气被称为边界层，它围绕在球的某些部分。在球速较低时，空气离开球表面的时候这个边界层将只覆盖球的前半部分。在这种情况下，球后的空气尾流比较规律，称为层流。

低速时只覆盖球前半部分的空气，加入粉尘来显示其运行状态。

图源：John Eric Goff, CC BY-ND

而当球速很快时，边界层会更多的包裹球体，当气流最终与球的表面分离时，它在球后形成混乱的漩涡，这称为湍流。

在高速时空气几乎会完全流向球的后部，然后分离成为湍流。

图源：John Eric Goff, CC BY-ND

空气对球的阻碍程度称为风阻系数，对于给定的速度，阻力系数越高，物体感受到的阻力就越大。事实证明，足球的风阻系数在层流下大约是湍流的2.5倍。虽然这似乎违反直觉，但粗糙的球表面会延迟边界层的分离，并使球更多的处于湍流中。这个物理学原理——粗糙的球受到的阻力更小——也是酒窝状高尔夫球比光滑表面的球飞得更远的原因。

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从1970年世界杯开始，阿迪达斯一直为世界杯提供比赛用球。到2002年为止，每个球都是用标志性的32块皮革缝制而成——包括20个六角形和12个五边形。

1970年启用的TELSTAR是许多人的美好回忆

图源：shine2010, CC BY

新时代始于2006年德国世界杯。 新球名为 Teamgesit，由14块光滑的合成皮革组成，这些皮革被胶水粘合在一起而不是缝合，因为更紧密的胶合密封可以更有效的防止水进入足球内部。从那时开始，对球本身进行科技化革新成为一种潮流，新球的设计必须考虑拼接皮革的数量、接缝方式和表面纹理等因素，因为这些因素都可能影响球在空气中的飞行特性。

2010年南非世界杯上的新球 Jabulani 因为飞行太慢而受到很多批评。

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2010年南非世界杯上的 Jabulani 是一次不太成功的尝试。它皮革表面不再光滑而是具有粗糙的纹理，意在弥补较短的接缝和只有8块皮革带来的阻力变大，但 Jabulani 仍然是一个有争议的版本，许多球员抱怨它会突然减速。风洞分析表明 Jabulani 整体上还是过于光滑，因此比2006年的 Teamgesit 具有更高的阻力系数，这让它在飞行的末端速度会快速降低。

Brazuca，图源：etsy.com

2014年巴西世界杯的 Brazuca 和2018年俄罗斯世界杯的 Telstar-18 由六块不规则的皮革组成，尽管它们的表面纹理略有不同，但它们具有相同的整体表面粗糙度，因此具有相似的空气动力学特性。球员们普遍喜欢 Brazuca和Telstar 18，也有一些人表示 Telstar-18 不好停球，容易弹飞。

通过总结经验教训，阿迪达斯在本届世界杯上推出了新球——Al Rihla。Al Rihla使用水性油墨和胶水粘合了20块皮革，其中8个是边长大致相等的小三角形，12个大的则像冰淇淋甜筒。Al Rihla 没有像以前的球那样使用凸起的纹理来增加表面粗糙度，而是使用了凹陷的小坑。同时皮革间的接缝更宽更深，这进一步增加了它的整体粗糙度。

Al Rihla 特写，能看到表面凹陷的小坑。

图源：John Eric Goff, CC BY-ND

John Eric Goff 与日本的同事在筑波大学的风洞中测试了近四届世界杯的专用球。

前四届世界杯用球的测试比较

横轴：球速

纵轴：风阻系数

图源：The Conversation CC-BY-ND

类似于炮弹出膛，球离开脚的一刹那速度是最快的，球速经常超过60英里/小时（97公里/小时），此时球后方涡旋剥离的尾流是湍流，阻力较小，球速可以保持很快；而随着球速的降低到某个临界值时，气流从湍流变为层流，风阻系数会迅速上升，从球员的角度来看就是球速突然降低。如果球在较低的速度开始减速，那么球的轨迹改变的程度较小，即落点比较有谱，而如果球在比较高的速度开始减速，则在末端乱飞的可能性就会大大增加，落点更难判断。对于踢球的一方来说，无论是射门、任意球、角球还是长传，更希望球飞向预想的地方而不是碰运气。

测试结果表明大多数世界杯用球的临界速度都在 36 英里/小时（58 公里/小时）左右，而 Jubalani 确实是例外，临界速度约为51英里/小时（82公里/小时），也就是说它会在较早的时候减速并开始乱飞，因此球员们觉得 Jabulani 很慢且难以预测是有道理的。

Al Rihla 具有与前两代产品非常相似的空气动力学特性，而如果更注重细节的话，它的变化曲线甚至更加平滑，这意味着 Al Rihla 的飞行轨迹更容易预测，“更听话”，这有助于球员踢出落点更精确的球，也会让比赛变得更加精彩。

参考文献：

https://theconversation.com/world-cup-this-years-special-al-rihla-ball-has-the-aerodynamics-of-a-champion-according-to-a-sports-physicist-194585

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