22
世界杯物理小知识
World Cup
2022世界杯正举行的如火如荼，同学们除了为自己喜爱的球队、球星呐喊助威和每一个进球激情狂欢外，还有没有想过用 物理 的眼光来欣赏它呢？实际上,这项运动包含了很多 物理知识 。现在让我们透过足球场上常见的几种现象，一起来学习一下吧！
摩擦力
足球表面并非十分光滑，而是有一些微小的凹凸面，还有一些黑白相间的花纹， 目的是为了增大接触面的粗糙程度，从而增大摩擦 。 在球场上踢出的球越滚越慢，最终停下来。这是因为 摩擦力阻碍足球滚动 ，使球越滚越慢，所以球最终停止运动。
力的作用效果
用脚踢球时，足球会发生形变。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状态 。
World Cup
惯性
快速奔跑的运动员被对方运动员的脚或身体绊住时，都是向前倾倒。 出现这种情况的原因是： 人的下半身由于被绊住而停止了运动，上身却由于惯性仍保持原来的运动状态继续向前运动 ，于是奔跑的运动员绊倒时向前倾倒。
香蕉球
香蕉球，因为球的运动轨迹是弧形的，类似香蕉形状，因此以“香蕉球”得名。
实际上，香蕉球（弧线球）就源于物理现象—— 马格努斯效应。
球员在踢球的一刹那， 通过摩擦使足球产生旋转 。当足球在空中一边飞行一边自转时，也会 带动周围气流旋转 。
球的一侧， 旋转产生的气流和飞行中的相对气流的方向相同，气流速度加快； 另一侧， 旋转产生的气流和飞行中的相对气流的方向相反，气流速度减小。
两侧气流相对球的速度不同，会形成压力差。气流速度小，压强大；气流速大，压强小。这个时候，高压区会向低压区产生一个横向力。
旋转的足球在飞行中受横向力的影响，会有明显的偏转，从而形成弧线。
这就是马格努斯效应。
电梯球
电梯球，跟香蕉球（弧线球）截然不同，球本身没有旋转，初始速度很快，迅速上升且突然下坠，有人形象地比喻为“先将电梯迅速升到6楼，再急速降到1层”，因此得名“电梯球”。
除此以外，电梯球还有一个特点，就是在飞行过程中，有一定的飘忽感，会出现左右S型诡异路径，让守门员不好防守。排球中的“飘球”也是同样原理，高水平运动员可以让排球过网后出现周期性的摆动或者突然下坠。
电梯球，为什么会有这么诡异的路线呢？
一般来说，足球的初始速度要踢到100—120公里/小时，才会形成电梯球。而且，电梯球由于空气阻力作用飘忽不定，所以守门员很难判断。
2012年，世界上很有名的物理学家Cohen和他的学生发表过一篇论文，详细解释过电梯球的物理原理。
Cohen教授认为，对非旋转球体， 当起始速度小于末端速度时，球体成抛物线运动，而当起始速度远大于末端速度时，球下落时急坠。
实际上，如果按简单的物理知识来解释也不难。我们知道，空气阻力跟物体速度平方成正比，速度越快，阻力越大。电梯球的初始速度要很快，踢出后，球本身受到空气阻力也会突然增大，而且短时间会把球在水平方向的力消耗掉，这个时候，足球就会主要受重力影响，迅速下落。
见上图，左边这个初速不太快，它的下落是比较平缓的；而当初速和末速比值到达100，出现了急坠。所以对守门员来讲，如果你看到那个球往球门去了，你本来以为它会飞出去，实际上它可能急坠，钻进网窝。
这个物理现象也很常见，比如大家看到的烟花，在空中爆炸盛放后，并不是呈现一个长长的抛物线，而是迅速下坠，道理跟电梯球是一样的。