足球运动中的物理学

2022卡塔尔世界杯在如火如荼地进行着，在感受足球运动的激情与欢乐时，观众朋友们也可以了解关于足球的更多内涵——足球中的物理学。足球的土壤需要培养，足球的精神可以共享。

“踢足球非常简单，难的是踢简单的足球。”——克鲁伊夫

足球运动， 不管是正式比赛还是练习或游戏，都是足球在场上飞来飞去；而足球球体的运动，从物理学的角度来看， 就是一个弹性球体在空气中运行的典型的空气动力学问题。足球的运动服从物理规律：包括球的弹射与飞行，踢球的力度与角度，传球与截断路线的几何分析，控球的时间与空间把握，等等。这种运动的一般规律并不复杂，主要起作用的因素就是球的弹性与摩擦力（包括球的材质及表面结构）和空气阻力。

1、摩擦力

足球表面有黑白相间的花纹，目的是为了增大接触面的粗糙程度，从而增大摩擦。

2、空气阻力

当任何物体在空中运动时，一层相对静止的薄空气会环绕在它周围。这就是电风扇的扇叶会落灰的原因。当球慢速飞行时，空气从足球表面平滑地流过，形成互不干扰的空气层，这种状态被称为层流；而这时空气会在球两侧直线距离最远的两个点分开。想象一个球从右到左经过钟表的表面，也就是从3点处飞到9点处。当空气处于层流状态时，空气流动过球的表面，在12和6两点分层流动，造成更多的空气阻力。阻力加剧球的减速。相反，当球高速运行时，空气就不会分成层，而是乱作一团，在球的表面形成混乱湍流，在2和4两点分开。这时风会沿着球的曲线“包”住球的后部，反而让空气阻力更小，使球可以在空中更久地高速飞行。

关键在于，飞行的物体周围的空气由湍流变为层流（相反也一样）时有一个临界点。不同的足球有不同的临界点，球员可能会因此遇到麻烦。

3、力的作用效果

当进球时，球网会变形，是足球给球网的力使球网的形状发生了改变;当球撞击门柱被反弹回来时，是门柱给足球的弹力使足球的运动状态发生了改变，当然，这个力也使足球的形状发生了改变；球最终落向地面，是重力使足球的运动状态发生了改变；球在草坪滚动时，会越滚越慢，终停下来，是草坪对足球的滚动摩擦力使足球的运动状态发生了改变……这些现象都说明:力既可以改变物体的形状，又可以改变物体的运动

4、惯性

踢出去的足球会沿原来的运动方向继续运动，而不会马上停下来，是因为足球具有惯性，要保持原来的运动状态不变；快速奔跑的运动员被对方的脚或身体绊住时，要向前倾倒，是由于运动员具有惯性。运动员原来处于运动状态，当他的下半身被绊住停止了运动，上半身由于惯性仍要保持原来的运动状态不变，继续向前运动，于是出现向前倾倒。

5、冲力

当队员大脚射门时，球速可以高达100km/h。如果守门员用胸部停球，那么胸部所受到的冲力将高达1500N；如果用手接球，冲力可以减少到500N。原因是通过手臂的运动可使球的制动距离延长3倍，增加力的作用时间，减少冲力(这里涉及高中冲量知识)。

6、足球内部气压

国际足球竞赛委员会规定，充气后，足球内部的气压相当于0.6至1个标准大气压，即相当于600至1000克每厘米。在比赛进行当中，未经裁判许可不得随意更换比赛用球。

足球打气标准：打到比较适宜的气压，把球与腰持平，轻轻松开手，让球自由落地，如果球能弹到膝盖到膝盖上20厘米的地方就可以。如果弹得较低，就多打一点气，较高就放一点气，直到适合为止。

7、反应速度

守门员扑点球时，扑住的成功率一般只与守门员的判断反应能力有关。因为点球的位置距球门只有9.15米，射门时球速可以高达100km/h，这样球到球门的时间大约是0.32s，而人脑的反映时间大约是0.6s，这样足球到球门的时间就会远远小于人脑的反映时间，所以守门员根本没有时间调整自己的意识。因此，点球的扑住与否跟守门员对进球方向的预先判断直接有关。正是由于这种原因我们在看点球大战时，球明明向球门左边飞去而守门员却扑向右边就不足为奇了。

8、爆发力

爆发力是指在短时间做出最大的功。顾名思义。这种力就像火药爆炸一样，能在一瞬间崩发出巨大的能量。爆发力实质是指不同的肌肉间的相互协调能力，力量素质以及速度素质相结合的一项人体体能素质。

爆发力区分为下列3种：

（1）高爆发力（High power）：即30秒内的运动。

（2）中爆发力（middle power）：即30秒至5分间的运动。

（3）低爆发力（lower power）：即5分至15分间的运动。

根据此种区分方式，肌力与速度属于高爆发力，肌耐力属于中爆发力、耐力属于低爆发力之范围。也就是说，大多数的运动皆需要爆发力。

在爆发力的因素中，力量起主导作用，因此力量的增长有助于爆发力的发展。但力量绝不等于爆发力。就是说实战中并不是有力量就能把技术运用好。一个足球运动员的爆发力，必须通过基本力量与速度、技术，灵敏度协调地结合起来，才能发挥。

9、物态变化

在足球比赛中，运动员相互碰撞跌倒后，常看到运动员双手抱腿，在地上翻滚。这时，队医就会迅速进场，从药箱中取出一只瓶子，对着球员的伤痛处喷出一股白雾，一会儿，伤员疼痛消失，就可以重新入场比赛了。实际上这是因为瓶中装的是“冷气雾镇痛”，它是由氟氯甲烷配一些镇痛治伤药组成，这种药液从喷嘴喷到伤处时，迅速汽化成雾状。由于汽化要吸收大量的热量，运动员受伤处温度将急剧下降，血管收缩，神经麻痹，于是痛感就很快消失。

10、伯努利原理

我们在看足球比赛时，经常听到解说员说：足球在空中划出美丽的弧线，直挂球门死角。足球为什么会在空中划出美丽的弧线呢？是因为足球运动员在踢球时，用脚的内侧或外侧摩擦足球使足球在空中旋转着向前运动。根据相对运动，空气流动的方向与足球运动的方向相反。足球旋转的方向与空气流动方向相反的地方，足球对空气流动起阻碍作用，空气流速慢，压强大；足球旋转的方向与空气流动方向一致的地方，足球对空气流动起促进作用，空气流速快，压强小。这样使足球两侧产生了一个压强差，压力差。所以，足球在前进的同时又发生了偏转，从而形成了“美丽的弧线”。这种弧线球又叫“香蕉球”，跟乒乓球中的“弧线球”原理是一样的。

11、能量转化

踢高的足球下落后，再也弹不到原来的高度，并且每次弹起的高度都会比上一次低。原来被踢到高处的足球具有一定的机械能，足球在下落过程中，由于足球克服空气阻力做功，要损失一部分机械能；足球在碰撞地面时，发生形变也要损失一部分机械能，这样足球的机械能就会逐渐减小，所以足球弹起的高度就会越来越低。

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