C羅在2005年射出的電梯球 圖片編輯自Premier League

球離開球員腳面時(shí)明明飛得筆直，守門員也已經(jīng)提前判斷好了落點(diǎn)。可就在飛行途中，足球卻像突然“活了”過來，先是輕微偏移，接著猛地下墜，最后擦著門框鉆進(jìn)球門。

門將愣在原地。解說員瘋狂吶喊。而電視機(jī)前的觀眾只剩下一個(gè)疑問：這球到底是怎么飛的？

足球?yàn)槭裁磿?huì)突然“活過來”？

這種詭異的射門，被球迷稱為“電梯球”。

大多數(shù)足球在飛行時(shí)都會(huì)帶著明顯旋轉(zhuǎn)。當(dāng)足球高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，球體兩側(cè)空氣流速不同，會(huì)形成壓力差，從而產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力。這種現(xiàn)象叫作馬格努斯效應(yīng)（Magnus Effect）。

馬格努斯效應(yīng)示意動(dòng)畫 圖片來源：維基百科

我們經(jīng)常看到足球在空中劃出優(yōu)美弧線，繞過防守隊(duì)員后鉆進(jìn)球門，本質(zhì)上都來自這種效應(yīng)。旋轉(zhuǎn)越穩(wěn)定，軌跡越可預(yù)測(cè)。

但電梯球恰恰相反。它最大的特點(diǎn)就是：幾乎不轉(zhuǎn)。

2022年發(fā)表在《Sensors》上的一項(xiàng)研究將電梯球定義為一種“以極低旋轉(zhuǎn)發(fā)射，并因此產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)軌跡的足球飛行現(xiàn)象”。研究人員利用內(nèi)置傳感器的智能足球和自動(dòng)發(fā)球機(jī)反復(fù)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，典型電梯球的轉(zhuǎn)速通常只有幾十轉(zhuǎn)每分鐘，遠(yuǎn)低于普通弧線球。

聽起來有些反直覺。沒有旋轉(zhuǎn)，不應(yīng)該更穩(wěn)定嗎？

事實(shí)恰恰相反。當(dāng)足球失去旋轉(zhuǎn)后，原本能夠穩(wěn)定氣流的馬格努斯效應(yīng)也隨之消失。此時(shí)，空氣開始接管比賽。

足球表面并不是光滑的。它有拼接縫線、有紋理、有凹槽。當(dāng)高速飛行的足球穿過空氣時(shí)，這些細(xì)小結(jié)構(gòu)會(huì)影響氣流在球體表面的流動(dòng)方式。對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的足球來說，由于球體不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，這些不規(guī)則結(jié)構(gòu)會(huì)被“平均化”，不會(huì)對(duì)飛行產(chǎn)生太大影響。

電梯球在射出后幾乎不會(huì)旋轉(zhuǎn) 圖片編輯自Premier League

但對(duì)于幾乎不旋轉(zhuǎn)的電梯球來說，情況完全不同。不轉(zhuǎn)的球在空中是無序翻滾的，表面的縫線和凹槽相對(duì)于氣流的朝向每一瞬間都在隨機(jī)變化。這導(dǎo)致球體兩側(cè)的空氣阻力忽大忽小、方向搖擺不定。結(jié)果就是，足球后方形成的渦流結(jié)構(gòu)開始搖擺不定。

這些渦流一會(huì)兒偏向左邊，一會(huì)兒偏向右邊，有時(shí)還會(huì)突然改變強(qiáng)度。足球也因此受到忽左忽右、忽強(qiáng)忽弱的推力。從觀眾視角看，就像有一只看不見的手正在空中撥弄足球。而這正是電梯球最核心的秘密。

世界杯官方用球：

足球設(shè)計(jì)里的空氣動(dòng)力學(xué)

如果足球表面的縫線和紋理如此重要，那么一個(gè)問題自然出現(xiàn)了：世界杯比賽用球的設(shè)計(jì)，會(huì)不會(huì)影響電梯球？

答案是會(huì)。

事實(shí)上，每屆世界杯開始之前，比賽用球本身都會(huì)成為科學(xué)家、工程師和運(yùn)動(dòng)員關(guān)注的對(duì)象。

最著名的例子來自2010年南非世界杯。當(dāng)時(shí)使用的比賽用球“普天同慶（Jabulani）”引發(fā)了巨大爭(zhēng)議。許多門將公開抱怨，這顆球在空中的飛行方式異常古怪，經(jīng)常出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)的變化。有人甚至形容它像一顆“不受控制的飛彈”。

足球Jabulani 圖片來源：維基百科

這些抱怨并不完全是心理作用。因?yàn)樽闱虮砻娴脑O(shè)計(jì)，確實(shí)會(huì)影響空氣動(dòng)力學(xué)特性。球體表面的粗糙程度、縫線長(zhǎng)度、縫線深度以及紋理形狀，都會(huì)影響空氣如何沿著球體表面流動(dòng)。

這里涉及一個(gè)重要概念——邊界層。簡(jiǎn)單來說，當(dāng)足球飛行時(shí)，表面會(huì)附著一層極薄的空氣。這層空氣什么時(shí)候脫離球體表面，會(huì)直接影響足球受到的阻力和側(cè)向力。而縫線和紋理，正是決定這一過程的重要因素。

足球飛行時(shí)表面會(huì)附著一層極薄的空氣 圖片來源：Comsol

如果球體過于光滑，足球在某些速度區(qū)間反而可能變得更加不穩(wěn)定。如果表面過于粗糙，又會(huì)增加空氣阻力。因此，現(xiàn)代足球的研發(fā)往往需要經(jīng)過大量風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬。

真正被騙的，其實(shí)不是眼睛

不過，電梯球最有趣的地方，也許并不在足球本身。

很多人以為門將撲不出電梯球，是因?yàn)榭床磺迩?，但事?shí)并非如此。職業(yè)門將的動(dòng)態(tài)視力遠(yuǎn)超普通人，他們不是靠“看見”來完成撲救的，而是靠預(yù)測(cè)。

射門瞬間，球速可達(dá)100公里/小時(shí)以上 門將的預(yù)判，從這一刻就已經(jīng)開始了 圖片來源：維基百科

從足球離腳到飛進(jìn)球門，往往只有不到一秒鐘時(shí)間。對(duì)于時(shí)速100公里以上的射門來說，門將根本來不及等球飛到一半再?zèng)Q定行動(dòng)。他們必須在最初幾百毫秒內(nèi)完成判斷。

球速是多少？會(huì)落在哪里？需要向哪個(gè)方向移動(dòng)？大腦會(huì)根據(jù)過去無數(shù)次訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)，快速建立一個(gè)預(yù)測(cè)模型。隨后身體立即執(zhí)行。

而電梯球最可怕的地方就在于，它會(huì)讓這個(gè)模型失效。當(dāng)門將已經(jīng)開始向左撲救時(shí)，足球卻突然向右偏移。當(dāng)門將認(rèn)為球會(huì)繼續(xù)上升時(shí)，它又猛然下墜。

從某種意義上說，電梯球并不是在挑戰(zhàn)門將的反應(yīng)速度。而是在挑戰(zhàn)人類大腦預(yù)測(cè)未來的能力。

一腳電梯球，背后藏著多少科學(xué)？

既然電梯球這么厲害，為什么所有球員不都這么踢？因?yàn)樗鼘?shí)在太難了。

研究發(fā)現(xiàn)，成功的電梯球必須同時(shí)滿足幾個(gè)條件：速度足夠快、旋轉(zhuǎn)足夠少、擊球位置足夠精準(zhǔn)。球員需要盡可能擊中足球質(zhì)心附近的位置，避免產(chǎn)生額外旋轉(zhuǎn)；同時(shí)又要保證足夠大的初速度，讓空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)能夠充分發(fā)揮作用。

研究足球運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，電梯球射門時(shí)，運(yùn)動(dòng)員骨盆和下肢的運(yùn)動(dòng)方式與普通射門存在明顯差異，動(dòng)作誤差空間極小。

C羅在2007年踢出的電梯球 圖片編輯自Premier League

這也是為什么歷史上真正掌握電梯球的球員屈指可數(shù)。提起電梯球，很多球迷首先想到的是C羅。

2005年至2014年前后，他曾多次踢出經(jīng)典電梯球。高速飛行的足球突然下墜，讓不少門將只能站在原地目送皮球入網(wǎng)。

但在許多研究者看來，真正把電梯球技術(shù)推向極致的人或許是巴西球員儒尼尼奧（Juninho Pernambucano）。

儒尼奧爾在各種距離和角度都踢進(jìn)過球 圖片來源：Gegenpressing91

這位中場(chǎng)球員曾經(jīng)打進(jìn)數(shù)十粒遠(yuǎn)距離任意球，其軌跡變化之大，甚至成為空氣動(dòng)力學(xué)研究中經(jīng)常被引用的案例。

他們的共同特點(diǎn)并不是力量特別大，而是能夠在高速擊球的同時(shí)，把旋轉(zhuǎn)壓低到極小水平。而這恰恰是電梯球最困難的部分。

我們看到的是一腳精彩射門。但在看不見的地方，空氣正在流動(dòng)，渦流正在形成，壓力正在變化，大腦正在預(yù)測(cè)未來。球員、足球、空氣和神經(jīng)系統(tǒng)，共同完成了這場(chǎng)不到一秒鐘的表演。

參考資料：

1.https://theoxfordblue.co.uk/mastering-the-knuckleball-in-football/

2.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705810002699

來源：蝌蚪五線譜

編輯：小赫Amyyy

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