每逢世界杯臨近，或者當(dāng)人們回顧那些經(jīng)典比賽時，總有一些進(jìn)球會被反復(fù)提起。它們并不是最遠(yuǎn)距離的射門，也不是最華麗的團(tuán)隊配合，而是那些看起來仿佛違反了物理定律的足球軌跡。

C羅在2005年射出的電梯球（圖片來源：圖片編輯自Premier League）

足球離開球員腳面時明明飛得筆直，守門員也已經(jīng)提前判斷好了落點。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疑問：這球到底是怎么飛的？

足球為什么會突然“活過來”？

這種詭異的射門，被球迷稱為“電梯球”。

大多數(shù)足球在飛行時都會帶著明顯旋轉(zhuǎn)。當(dāng)足球高速旋轉(zhuǎn)時，球體兩側(cè)空氣流速不同，會形成壓力差，從而產(chǎn)生一個側(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)示意動畫（圖片來源：維基百科）

我們經(jīng)?？吹阶闱蛟诳罩袆澇鰞?yōu)美弧線，繞過防守隊員后鉆進(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。

但電梯球恰恰相反。它最大的特點就是：幾乎不轉(zhuǎn)。

2022年發(fā)表在《Sensors》上的一項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發(fā)球機(jī)反復(fù)測試后發(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，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，這些細(xì)小結(jié)構(gòu)會影響氣流在球體表面的流動方式。對于高速旋轉(zhuǎn)的足球來說，由于球體不斷轉(zhuǎn)動，這些不規(guī)則結(jié)構(gòu)會被“平均化”，不會對飛行產(chǎn)生太大影響。

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

但對于幾乎不旋轉(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。

這些渦流一會兒偏向左邊，一會兒偏向右邊，有時還會突然改變強(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)計里的空氣動力學(xué)

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

答案是會。

事實上，每屆世界杯開始之前，比賽用球本身都會成為科學(xué)家、工程師和運動員關(guān)注的對象。

最著名的例子來自2010年南非世界杯。當(dāng)時使用的比賽用球“普天同慶（Jabulani）”引發(fā)了巨大爭議。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。因為足球表面的設(shè)計，確實會影響空氣動力學(xué)特性。球體表面的粗糙程度、縫線長度、縫線深度以及紋理形狀，都會影響空氣如何沿著球體表面流動。

這里涉及一個重要概念——邊界層。簡單來說，當(dāng)足球飛行時，表面會附著一層極薄的空氣。這層空氣什么時候脫離球體表面，會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。

足球飛行時表面會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)洞實驗和計算機(jī)模擬。

真正被騙的，其實不是眼睛

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，是因為看不清球，但事實并非如此。職業(yè)門將的動態(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。

射門瞬間，球速可達(dá)100公里/小時以上。（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間。對于時速100公里以上的射門來說，門將根本來不及等球飛到一半再決定行動。他們必須在最初幾百毫秒內(nèi)完成判斷。

球速是多少？會落在哪里？需要向哪個方向移動？大腦會根據(jù)過去無數(shù)次訓(xùn)練經(jīng)驗，快速建立一個預(yù)測模型。隨后身體立即執(zhí)行。

而電梯球最可怕的地方就在于，它會讓這個模型失效。當(dāng)門將已經(jīng)開始向左撲救時，足球卻突然向右偏移。當(dāng)門將認(rèn)為球會繼續(xù)上升時，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？因為它實在太難了。

研究發(fā)現(xiàn)，成功的電梯球必須同時滿足幾個條件：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)；同時又要保證足夠大的初速度，讓空氣動力學(xué)效應(yīng)能夠充分發(fā)揮作用。

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

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 圖源：Gegenpressing91

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

他們的共同特點并不是力量特別大，而是能夠在高速擊球的同時，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，渦流正在形成，壓力正在變化，大腦正在預(yù)測未來。球員、足球、空氣和神經(jīng)系統(tǒng)，共同完成了這場不到一秒鐘的表演。

參考資料：

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

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

作者：蝌蚪君

審核：劉穎 李培元 張超 楊柳

審核專家：梁文杰 中科院物理研究所 研究員