如何“轰”出世界波？

球类运动历来备受关注。在优秀球员的驾驭下，球在空中运动的过程中出现转弯、下沉和晃动，既能令对手猝不及防从而赢得比赛，又具有较高的观赏性。那么，这些球路的变化是如何实现的呢？

在足球界，以前大卫·贝克汉姆、安德烈亚·皮尔洛等著名球员，通过高速、刁钻、弯曲的香蕉球为球队夺分。还有克里斯蒂亚诺·罗纳尔多等球员则以晃动着飞出的无旋转任意球作为自己的武器。踢出这种香蕉球的条件是什么？为何无旋转飞行的球会发生晃动？晃动又是如何产生的呢？

弯曲3米以上的香蕉球

优秀的足球运动员可以踢出犀利、横向弯曲的香蕉球（弧旋球）。在发任意球时，球门与踢球者之间会有对方球队的几名球员并排组成的人墙挡住进球路线。此时，如果踢出香蕉球，就可以通过马格努斯力使球路弯曲，从而避开人墙成功射门。

但并不是说提升旋转速度，从而让马格努斯力越大越好。有研究人员表示，一般而言，提升球的转速的同时，球速反而会下降。无论足球弯曲的幅度有多大，如果射门速度慢，就会被守门员轻易扑出。因此，要想避开优秀的守门员成功破门，就需要踢出速度快、弯曲幅度大的球路。

优秀球员踢出的任意球球速会超过每小时100千米。研究人员在进行场景模拟时发现，要想让这种速度的任意球避开人墙（假定在距离约9米远的位置有5名身高1.8米的对方球员并排）成功射门，球离开地面时与地面的夹角必须控制在15°～17°之间，也就是仅有2°的精度范围（在距离球门25米的位置，踢出转速为每秒8转的侧旋弧线的情况）。如果是足球，以每小时90千米的速度每秒旋转8转，球会在这个距离内弯曲3米以上。

优秀球员的射门：球在横向弯曲的同时急剧下沉

上图展示的是在任意球时，球避开人墙，斜向下弯曲射门的情景。如果球发生旋转轴相对于地面是垂直的侧旋，就会产生使球的轨迹横向弯曲的马格努斯力。如插图所示，旋转轴倾斜后，马格努斯力向斜下方发挥作用，球便可在弯曲的同时急剧下沉

优秀球员踢出的球速度快，

且在弯曲的同时急剧下落

踢出弧线的关键在于，落脚点在偏离球心的位置，偏离球心的幅度越大，球的转速越快。而且，浅井教授表示，球与脚的接触面有一个垂直方向，要想踢出理想的香蕉球，脚的摆动方向与该垂直方向之间的夹角需要在35°左右。该角度越大，球的转速越快，球速就越慢。

研究人员称，安德烈亚•皮尔洛等优秀的任意球球员会踢出更高水平的射门。他们会使球的旋转轴倾斜角度大于侧旋，让马格努斯力倾斜向下发挥作用，从而踢出“球速快、大幅弯曲的同时又急剧下沉的”球路。

无旋转射门时，为何球会晃动？

足球中也有几乎无旋转的晃动的球技，那就是任意球中有名的无旋转射门。牢牢掌握球的中心，像推射一样出脚，就会实现无旋转。那么，无旋转射门时，足球晃动的原理是否与弹指球相同呢？

足球（直径22厘米）球皮的接缝处有凹陷。但是，研究人员进行的风洞实验及使用足球发射装置进行的实验显示，与棒球的弹指球不同，足球的接缝排列方式与受力方向是不对应的。

研究人员使用球的发射装置再现了足球的无旋转射门。上图为以每小时82千米的初速度发射时球的飞行轨迹，先向右，再向左，然后再向右弯曲。

研究人员称，无旋转射门时，足球后方的气流会形成涡旋结构，特征如下图所示。这种说法是20世纪70年代，日本九州大学名誉教授种子田定俊（已故）针对表面平滑的球发表的一个结论。

无旋转射门时球晃动的原理

下图是无旋转射门时球后方的气流产生的涡旋结构。气流（涡旋结构）偏向一侧，球受其反作用力产生晃动。因为会发生不规则变化，所以守门员感觉球是晃动的。

这种涡旋结构会使球后方的气流偏向一侧，因此，球会受到其反作用力。而且，这种涡旋结构会发生不规则的旋转，所以其反作用力的方向也会随之发生不规则的变化，从而导致球的晃动。无旋转射门时，球速越快，气流的作用力越大，球晃动得越厉害。

而且，足球出脚时的碰撞瞬间，球会发生很大变形。浅井教授称，这种变形会造成球后方气流的紊乱，可能会对之后的气流，甚至球的飞行轨迹产生影响。

新媒体编辑/小帆帆

翻译/孙翠翠

来源/科学世界