世界杯赛场的高科技:贝氏弧线动力学秘密

五湖散人

英国《焦点》月刊7月号文章题：足球科学(作者 英国巴思理工大学访问学者、理论物理学家肯布雷博士)

　　从上世纪70年代开始，学术界有关足球科学的论文和研讨会数量猛增。足球医学、足球生物力学、足球生理学、有关足球的计算机模拟理论和足球心理学等思想一夜之间冒了出来。

　　在最近数届世界杯中，早期足球运动员无法想象的一些技术手段在比赛中得到运用：能捕捉到场上一举一动的图像跟踪活动、对每一个精彩比赛动作的生物力学分析、在点球大战这项足球运动中最令人紧张的对抗中所使用的战术。

　　足球运动的许多早期技术革新归功于一些对足球的本质特点进行了深入研究的球员和教练们。但直到上世纪70年代，正规的足球科学才开始运用于足球运动之中。当时的一个大问题(一个和现在一样的问题)是球员的体能问题，而且人们对于在最高水平比赛中需要多充沛的体能这一问题几乎一无所知。专业人士对这一问题的看法大相径庭：一些足球研究人士认为球员在场上平均要跑17公里，而另外一些人认为只有4.8公里。利物铺一所大学的科学家托马斯·赖利和沃恩·托马斯在进行仔细精确的测算后于1978年给出了答案：真正的的数值是约10公里。

　　不过，各个位置球员的运动量也有差异。也许令人感到吃惊的是，守门员的跑动距离有4公里，而且守门员与球的接触比队中任何队员都要多。

　　赖利和托马斯的研究结果对足球生理学产生了巨大的影响。在今天的高对抗比赛中，球员们所跑动的距离比以往增加了30%，此外，科学的饮食方式和训练机制对于确保球员能够达到国内比赛和国际大赛的要求至关重要。

　　科学解释“香蕉球”

　　在足球运动中，一些最基本的物理知识能解释足球比赛中的一些技术动作。物理理论能够为足球运动中最奇妙的一种技术提供解释：带旋转的任意球(香蕉球)。当一方球员犯规时，主裁判会判给对方一个任意球。最危险的任意球地点是在球门正前方20至25米的位置。这种带旋转的任意球技术起源于上世纪50年代的南美足球比赛中，而在一些巴西天才球员加盟欧洲顶级俱乐部后，这种技术开始迅速传播。

　　任何一次成功的任意球中，必不可少的一项技术就是使球按照自己的控制产生旋转。上世纪50年代，一直研究空气流经旋转的汽缸时所产生效果的德国物理学家海因里希·马格努斯最先解释了“经过控制的旋转”现象。马格努斯所研究的这种现象同样也适用于旋转的足球。如果不使球发生旋转的话，气流就会对称地掠过足球的表面，不会使球的飞行发生偏转。然而，当足球旋转时，气流流动方式受到影响，造成与上一种情况不同的压力和偏转力，从而造成足球飞行路线的改变。如果在踢球时使球逆时针旋转，那么足球的飞行路线就会是从右向左。

　　在距球门25米远的地方开出的带旋转的任意球能够侧向偏转飞行3至5米。侧向偏转飞行的距离取决于球的速度和旋转角度。这为该技术起源于南美提供了一个解释。上世纪50年代所使用的皮质足球很容易吸水。这对于气候温暖干燥的南美洲来说不是什么大问题，但在欧洲的冬天所举行的比赛中，这种球很容易吸水，变得很沉重，即使在空气动力的作用下也不会发生偏转。

　　“贝氏弧线”的秘密

　　世界足坛的顶尖任意球高手一般分为两种类型。绝大多数球员运用的是纯粹的“侧旋”技术。在这种情况下，球在飞行过程中发生的偏转是水平方向的。另一种球员是一些能够在发任意球时加上一点“上旋”的球员。这种技术在实践中很难练成，因为这要求球员在踢球时脚必须向上踢，但这样踢球难度很大，因为当球放在草皮上时，球与草皮之间的空间非常小。然而，这种技术一旦练成，球在飞行过程中所受到的偏转力将会使球下坠，一边旋转一边下坠的飞行轨迹对于任何一个门将来说都是极为艰难的挑战。

　　通过用高速数码摄影机研究实际比赛中的任意球，研究人员可以非常准确地对足球的飞行轨迹进行三维测量，而且，设计一个能够将所有空气动力参数包含在内的数学模型，科学家们就能够将任意球这样一种技术彻底地描述出来。然后，如果再将“人墙”的几何数据放入这个数学模型，那么科学家就有可能用科学手段模拟任何种类的任意球，从贝克汉姆独有的具有强烈弧线的任意球到罗伯特·卡洛斯发出的旋转得非常厉害的任意球。

　　对这种高难度任意球进行的模拟表明了一名球员必须具备精准的任意球技术。在发球时必须对球的飞行高度、方向、速度和旋转度进行极为精准的控制。在球场上及球门前无人防守的空白区域看似很大，但是，发球者必须使球正好经过人墙上方和球门前方所形成的一个狭窄得好像“信箱开口”的区域才有可能将球打进。

　　智能足球

　　教练员和球员都非常依赖科学手段。不仅在战术上是这样，在给球员提供生理治疗和心理辅导方面也是这样。许多俱乐部都购买了一种叫做 Prozone的软件。这种软件能够提供一整场比赛的极为详尽的情况。俱乐部用这种软件来对场每个人的表现进行分析，或者研究某种阵形和某些固定战术的效果。一些更具有科学头脑的教练还对球员的踢球技巧进行生物动力学方面的精确评估，评估的范围既包括一些基本技术，如外脚背传球，也包括一些较为复杂的技术，如定位球战术的演练和头球进攻等。

　　根据专家们的预测，足球运动即将出现一些重大技术进步。这些进步可能会使足球比赛发生进一步的改变。这些进步可能会使足球比赛发生进一步的改变。一个包括阿迪达斯公司和夫琅禾费研究所在内的财团正在研制一种新的“智能足球”。这种足球内部带有一个微型芯片。人们可以通过这个芯片所发射的无线电波来精确确定球在场上的位置。目前，研究部门已经展示了这种“智能”足球的模型。要了解这一技术的作用，必须先了解足球史上最著名的一个“争议” 进球：1966年英格兰世界杯的最后决赛中，英格兰队和联邦德国队战成2：2平，加时赛第10分钟，英格兰队前锋杰夫·赫斯特的射门击中横梁后反弹到门线上，瑞士籍主裁判迪恩斯特无法确定球是否已经越过门线。在征询边裁意见后，他判定球的整体已经越过门线，进球有效。此后英格兰队又攻入一球，最终以4：2 的比分夺冠，但直至今日，这个球仍存在争议。如果这项技术能够成功运用到比赛上，那么这种争议将不复存在。

　　世界杯是所有这些科学技术成果“共同效力”的最适宜场合。在德国捧起大力神杯的球队将是一支运用了足球科学来克服一个月的惨烈竞争的球队。因此，当你沉醉于世界杯比赛中各支球队给你献上的赏心悦目的传接配合、令人扼腕叹息的失误，令人拍案叫绝的进球和令人赞叹的精彩扑救时，也别忘了稍微留意一下世界杯赛场上凝聚着众多科学家智慧的科技成果--科技对这顶美妙的运动实在是贡献良多。