编者按：足球运动吸引了无数人的目光，而世界杯则是关注的焦点。 自 1970 年以来，爱迪达一直为世界杯提供足球，其为 2022 年卡塔尔世界杯设计的官方比赛用球为 Al Rihla。 一位体育物理学家对世界杯的官方用球 Al Rihla 进行了分析。 本文来自编译，希望对您有所启发。
▲2022年9月23日，在德国杜塞尔多夫的默克尔体育场，日本和美国的国际友谊赛上，爱迪达的 Al Rihla 足球。 图片来源：约翰‧艾瑞克‧戈夫（ John Eric Goff）（CC BY-ND）arstechnica.com和历届世界杯一样，在2022年卡塔尔世界杯中，球员们将使用一种新的足球。 在这项世界上最受欢迎运动的最重要比赛中，没有人希望在最重要的装备上出错，所以为了确保每一个新的世界杯用球都能为球员带来熟悉感，有大量的工作要做。
我是林奇堡大学的物理学教授，主要研究运动物理学。 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。 作为我研究的一部分，每四年，我都会对新世界杯用球进行分析，看看是什么造就了世界上最好看的比赛的核心。
1. 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。
▲在低速时，空气只会接触足球前半部分的表面，然后以一种被称为层流（laminar flow）的方式脱离球表面，正如这张风洞照片所示。 图片来源：约翰‧艾瑞克‧戈夫（ John Eric Goff）（CC BY-ND）arstechnica.com
当球在空气中运动时，有一层薄薄的几乎是静止的空气层，称为边界层（boundary layer），包围着球的一部分。 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（laminar flow）。
然而，当一个球快速移动时，边界层围绕球的距离会远得多。 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（turbulent flow）。
▲在高速运动时，流过足球的空气几乎会完全流向球的背面，然后再分离成混乱的漩涡，称为湍流（turbulent flow）。 图片来源：约翰‧艾瑞克‧戈夫（ John Eric Goff）（CC BY-ND）arstechnica.com
在计算移动的空气施加在移动物体上的力（阻力）时，物理学家使用了一个叫做阻力系数（drag coefficient）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。 虽然这可能听起来有悖常理，但使球的表面粗糙化会延迟边界层的分离，并使球在湍流中保持更长时间。 这个物理学事实（表面粗糙的球受到的阻力更小）也是带凹凸点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时间较长的球要快得多。
2. 世界杯用球的演变
自1970年以来，爱迪达一直为世界杯提供足球。 到 2002 年，每个球都采用了标志性的 32 面结构。 传统上，20 个六边形和 12 个五边形的面板是由皮革制成并缝合在一起的。
▲爱迪达的 Telstar 曾在1970年和1974年世界杯上亮相，很多人一想到足球就会想到它。 图片来源：约翰‧艾瑞克‧戈夫（ John Eric Goff）（CC BY-ND）arstechnica.com
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结合在一起的，而是通过热黏合组合在一起的。 在雨天和潮湿的日子里，这种更紧密的胶合密封能使水无法进入球的内部。
用新材料、新技术和更少的面板制作一个球，改变了球在空中飞行的方式。 在过去的三届世界杯上，爱迪达试图平衡面板数量、接缝性能和表面纹理，以创造出更好的符合空气动力学的足球。
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。 尽管爱迪达做出了努力，但 Jabulani 足球仍然是一款有争议的球，许多球员抱怨它的减速很突然。 当我和同事们在风洞里分析这款球时，发现 Jabulani 足球整体上过于光滑，因此阻力系数比 2006 年世界杯的 Teamgesit 足球要高。
▲2010年南非世界杯上，更光滑的 Jabulani 球因在空中速度慢而受到很多批评。 图片来源：约翰‧艾瑞克‧戈夫（ John Eric Goff）（CC BY-ND）arstechnica.com
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，但总体表面粗糙度大致相同，因此，空气动力学特性相似。 球员们普遍喜欢 Brazuca 和 Telstar 18，但有些人抱怨 Telstar 18 容易弹出。
3. 2022 年的 Al Rihla 足球
卡塔尔世界杯的新足球是 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。
▲为了使 Al Rihla 表面更粗糙，更符合空气动力学，爱迪达在表面添加了小凹坑。 图片来源：约翰‧艾瑞克‧戈夫（ John Eric Goff）（CC BY-ND）arstechnica.com
Al Rihla 并没有像以前的足球那样使用凸起的纹理来增加表面粗糙度，而是在表面添加了小凹坑，与以前的球相比，它的表面相对光滑。
为了避免更光滑的感觉，Al Rihla 的接缝更宽更深，这也许是吸取了过度光滑的 Jabulani 球的教训，Jabulani 普天同庆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。
我在日本的同事们在筑波大学（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上时，球的阻力会突然急剧增加，并突然减速。
▲新的 Al Rihla 球在较低的速度下阻力系数更低，而2010年推出的 Jabulani 球在更高的速度下感受到的阻力更大，因此减速更快。 图片来源：约翰‧艾瑞克‧戈夫（ John Eric Goff）（CC BY-ND）arstechnica.com
我们测试的大多数世界杯球都以大约 36 英里/小时（58公里/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 51 英里/小时（82 公里/小时）。 考虑到大多数任意球开始时的速度超过60英里/小时（97公里/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之前的两款球非常相似，如果说有什么不同的话，那就是它甚至可以在较低速时移动得更快一点。
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对 Al Rihla 有一种熟悉感，并很快适应。
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