2022世界杯官方用球AlRihla具有最好的空气动力学特性

一位体育物理学家对世界杯官方用球 Al Rihla 进行了科学的分析。

上图：2022年9月23日，在德国杜塞尔多夫，在梅尔库尔·斯皮尔竞技场举行的日本和美国国际友谊赛中，阿迪达斯Al Rihla球。

和历届世界杯一样，在2022年卡塔尔世界杯上，球员们将使用一种新的足球。在这项世界上最受欢迎的运动中，最重要的比赛中，最重要的装备最不希望出现出乎意料的表现，所以为了确保每一个新的世界杯用球都让球员感到熟悉，他们做了很多工作。

尽管围绕今年世界杯的腐败和人权问题存在争议，但足球的科学和技术仍有其美丽之处。一位林奇堡大学的物理学教授，主要研究运动物理学。作他为研究的一部分，每四年，这位物理学教授都会对新世界杯用球进行分析，看看是什么促成了世界上最美丽的比赛的核心。

阻力的物理原理

在射门、任意球和长传之间，足球比赛中的许多重要时刻都发生在球在空中的时候。所以足球最重要的特征之一就是它在空气中的运动方式。

上图：在低速时，空气只会在足球前半部分的表面，然后以一种被称为层流的有组织的方式剥落，如这张风洞照片所示。

当球在空气中运动时，一层薄薄的基本静止的空气被称为“边界层”，它包围着球的某一部分。低速时，边界层只覆盖球的前半部分，然后流动的空气就会从球的表面剥离。在这种情况下，球后的空气尾流是有一定规律的，称为“层流”。

上图：在高速下，流过足球的空气几乎会完全传播到球的背面，然后分离成称为湍流的混乱漩涡。

然而，当一个球快速移动时，边界层围绕球的距离要远得多。当气流最终与球的表面分离时，会形成一系列混乱的漩涡。这个过程被称为“湍流”。

在计算移动的空气施加在移动物体上的力（称为阻力）时，物理学家使用了一个叫做阻力系数的术语。对于给定的速度，阻力系数越高，物体感受到的阻力就越大。

结果表明，足球在层流中的阻力系数大约是湍流的2.5倍。尽管这似乎违反直觉，但球的表面变粗糙会延迟边界层的分离，使球在湍流中的时间更长。这个物理事实 —— 粗糙的球感受到的阻力更小 —— 是带酒窝的高尔夫球比光滑的球飞得更远的原因。

要制作一个好的足球，气流从湍流过渡到层流的速度是至关重要的。这是因为当这种转变发生时，球的速度就开始急剧减慢。如果层流开始的速度过高，球开始减速的速度比保持湍流流动时间较长的球要快得多。

世界杯用球的演变

阿迪达斯从1970年开始为世界杯提供足球。到2002年，每个球都采用了标志性的32面板结构。20个六角形和12个五角形的面板传统上由皮革缝制而成。

2006年德国世界杯开启了一个新时代。2006年的足球被称为“Teamgesit”，由14块光滑的合成面板组成，这些面板不是通过缝线而是通过热粘合在一起。在雨天和潮湿的日子里，更紧的胶合密封防止水进入球的内部。

上图：在1970年和1974年世界杯上亮相的阿迪达斯Telstar是很多人最熟悉的足球的样子。

用新材料、新技术和更少的嵌板制作一个球，改变了球在空中飞行的方式。在过去的三届世界杯上，阿迪达斯试图平衡面板数量、接缝性能和表面纹理，以创造出刚好符合空气动力学的球。

2010年南非世界杯上的八面板“Jabulani”球采用了有纹理的面板，以弥补较短的接缝和较少的面板数量。尽管阿迪达斯做出了努力，但“Jabulani”仍然是一种有争议的足球，许多球员抱怨它突然减速。当物理学家们在风洞里分析这只球时，他们发现“Jabulani”整体上过于光滑，因此阻力系数比2006年世界杯的 Teamgeite 球要高。

上图：2010年南非世界杯上更流畅的 Jabulani 球因在空中速度慢而受到了很多批评。

2014年巴西世界杯的“Brazuca”和2018年俄罗斯世界杯的“Telstar 18”都有六个形状怪异的面板。虽然它们的表面纹理略有不同，但它们的总体表面粗糙度大致相同，因此，它们的空气动力学特性相似。玩家普遍喜欢 Brazuca 和 Telstar 18，但也有些人抱怨 Telstar 18 容易弹出的趋势。

2022年的“Al Rihla”球

新的卡塔尔世界杯足球是“Al Rihla”。

Al Rihla 由水性油墨和胶水制成，包含20个面板。其中8个是边长大致相等的小三角形，12个比较大，形状有点像冰淇淋蛋筒。

Al Rihla 并没有像以前的球那样使用凸起的纹理来增加表面粗糙度，而是覆盖了类似酒窝的特征，与以前的球相比，它的表面相对光滑。

上图：为了使Al Rihla更粗糙，更符合空气动力学，阿迪达斯在表面上植入了小酒窝。

为了弥补更光滑的感觉，Al Rihla 的接缝更宽更深 —— 也许是吸取了过度光滑的“Jabulani”的教训，Al Rihla 的接缝是近年来世界杯用球中最浅最短的，许多球员觉得它在空中的速度很慢。

物理学家们在筑波大学（University of Tsukuba）的风洞里测试了最近的4个世界杯用球。

当气流由湍流转为层流时，阻力系数迅速上升。当这种情况发生在飞行中的球身上时，球的阻力会突然急剧增加，并突然减速。

上图：新的Al Rihla球在较低的速度下阻力系数较低，而2010年的Jabulani球在较高的速度下比其他三个球感觉阻力更大，因此减速更快。

我们测试的大多数世界杯球都以大约36英里每小时（58公里每小时）的速度过渡。正如所料，“Jabulani”是一个例外，它的过渡速度约为每小时51英里（每小时82公里）。考虑到大多数任意球开始时的速度超过60英里每小时（97公里每小时），球员们觉得 Jabulani 速度慢且难以预测是有道理的。Al Rihla 的空气动力学特性与它的两种前身非常相似，如果有什么不同的话，它甚至可以在较低的速度下移动得更快一点。

每一款新球都会遭到一些人的抱怨，但科学表明，今年世界杯上的球员应该会对 Al Rihla 感到熟悉和适应。

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