足球越光滑飞得越远？这样的足球才是守门员的噩梦

　　来源：环球科学ScientificAmerican

　　说足球之前，咱们先来说说高尔夫球，因为它有一个让人大跌眼镜的现象：越是光滑的高尔夫球，越是飞不远。

　　相差可以有多大呢？同等用力的情况下，粗糙球的飞行距离可以是光滑球的5倍！

　　这实在是有违人们的正常认知，我们都认为，球形是最完美的形体，表面越是光滑，则在飞行的过程中，球面与大气的摩擦就越少，同等用力的情况下，理应飞得越远。

　　但是，高尔夫球不是这样。

　　早前，比赛用的高尔夫球，其里面是用羽毛填充，再用皮革包裹起来，这样的球很难做出标准的球体。1898年后，高尔夫球的制作材料逐渐被橡胶替代，但人们却在这时发现了一个奇怪的现象：使用时间越长的球，打得越远。

　　这引起了当时人们的好奇，经过摸索，终于找到了原因，原来，用橡胶的做的新球，其表面十分光滑，而使用时间很长以后，其表面的橡胶要么有的地方开裂了，要么就是有的地方磨损了，总之就是，球面相当粗糙。

　　这让人们意识到，高尔夫球的表面越是粗糙，打得就越远。所以，后来的高尔夫球表面不再是光滑的了，而是布满无数的“小酒窝”。

图片作者：Wolfye

高尔夫球的变迁（图片来自1919年出版的《高尔夫50年》一书）

　　现在出售的高尔夫球，其表面大约有250-450个“小酒窝”，最高纪录是在一个球上有1070个小酒窝。

　　任教于浙江大学38年的毛根海教授，其在所著的书《奇妙的流体运动科学》一书中，有这么一个数据：

　　同等条件下，布满小酒窝的高尔夫球，它在飞行中所受到的阻力只有光滑球的一半，而飞行距离是光滑球的5倍。

　　问题来了，为什么粗糙球比光滑球飞得更远？原因很简单，先来看一个例子。

1968年，阿波罗8号飞船返回地球大气层时示意图（图片来自NASA）

　　如上图，飞船在返回地球大气层时，由于速度极高，飞船前方与大气剧烈冲撞，压力极高，反过来呢，后方的空间，压力很小，这是因为飞船高速下落时会排开空气，后方空气少了，压力当然就小了。而后方压力小会产生一种抽吸的力。

　　物体在流体中运动时，前后压力差所带来的阻力就叫做“形状阻力”。

　　现代核潜艇为什么全使用“水滴型”外形？这也是为了减少形状阻力。

　　在《核潜艇在哪儿跑得更快？深海还是水面？很多人之前都错了》一文中，我们探讨了潜艇多使用“水滴型”外形的成因。

　　如上图，顶部的垂直竖版，其形体阻力最大，原因是其后方的“低压区”面积最大，第二个球体的低压区有所减少，直至底部的水滴型，其形状阻力最小。

　　也就是说，相同条件下，要想减少阻力，一个最有效的是：想办法减少其后方的低压区面积。

　　但高尔夫球总不能像核潜艇一样，也做成水滴型，怎么办？通过流体力学实验，人们发现，光滑的与布满小酒窝的球相比，后者产生的低压区面积更少。

图片来自航空航天工程师Jeffrey A。 Scott。

　　球上的无数小酒窝，它可以起到让空气紧贴球面的作用，这使得平滑的气流能顺着球体表面延伸到更靠后的位置时才产生分离。

守门员的噩梦

普天同庆（图片来自Shawn Smith）

　　“普天同庆”，这是2010年南非世界杯指定用球，这也是一个饱受非议的足球。

　　“它像个神经病。”有球员这样说。

　　“这个球是超自然的。它的轨迹很奇怪，似乎它不喜欢有人踢它。”有球员这样说。

　　“它是个地摊货！”有球员这样痛斥。

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　　无疑，普天同庆足球是最近几届世界杯中，最饱受批评的一个足球。

　　而在它还刚刚面世时，生产厂家就宣传说：这个球只用了8块表皮就将足球拼接完成，完美地包住了内胆，这是史上最圆的足球。

　　不幸的是……

　　“对足球而言，最重要的一点是粗糙度。” BBC采访空气动力学家梅塔博士时，梅塔博士这样说，“粗糙度的大小，决定了出现‘蝴蝶球效应’的最佳临界速度是多少。”

　　所谓蝴蝶球，这是指棒球赛中的一种球路。其特点是，投手投出的球，速度一般般，但这是为了尽量减少球在飞行中的旋转，以便造成不稳定和无法预测的运动轨迹。

　　如上图，拿着球棒的打者面对飘忽不定的棒球，最终傻眼。

　　足球上的“香蕉球”现象，要求足球旋转的足够快，如此才能让足球绕过人墙，射进球门。

　　但棒球上的“蝴蝶球”效应却要求投出的棒球尽量不旋转，这是为什么？

棒球（图片来自Olsin.se）

　　棒球上面有缝线，在飞行过程