足球物理学

来源:用户上传      作者: 本刊编辑部

　　当罗伯托・卡洛斯在1997年的四国邀请赛上踢进那记匪夷所思的任意球后，人们的表情不亚于美国人阿姆斯特朗1969年月球行走的那次。不管是过去还是现在，人们在形容事物某种不可思议的运动轨迹时，都喜欢说“这根本是颠覆了物理学的原理”。然而，随着现代科学的进步，人类早已对外太空的探索习以为常，而他们也开始用物理学的辨证眼光来重新对待曾经让他们感到惊奇的足球。
　　
　　环境影响物理
　　
　　如果时光可以倒流的话，你会发现很多东西研究起来都会非常美妙。北京奥运会上，博尔特以9秒69和19秒30两项破世界纪录的成绩分别获得了男子100米和200米短跑冠军，再来看看1936年柏林奥运会上的美国短跑名将杰西・欧文斯，后者当时的成绩是10秒30（100米）和20秒70（200米），恐怕很多人心中都会有一个疑问：博尔特真的比欧文斯快吗？足球界也流传过这样的设问：如果卡洛斯站在月球上，他还能踢出那记旋转强烈的任意球吗？
　　
　　也许并不需要把博尔特送回到1936年，更用不着把正在土耳其“养老”的巴西人送上月球，你就能很容易得出结论。人类文明的进步似乎并不在于对未来的探索，而是对过去的炫耀，这是种悲哀，却也是自省。欧洲足球界很喜欢将现在的球星和过去的作对比，这个现象其实在所有体育项目里都存在。很明显他们都犯了物理学参照物上的常识性错误――历史空间的跨度让他们的幼稚假设根本不复存在。也就是说，博尔特和欧文斯在各自年代比赛时的参照物和作用力都是不同的，不同的作用力来自场地、风速、运动员的跑鞋，甚至四周观众的呐喊。曾经声称“上帝赐予我天赋，但你在黑煤屑上永远跑不进10秒”的百米飞人刘易斯打破了自己的预言，但他却把功劳归予了当时还是新生事物的塑胶跑道和起跑器。北京奥运会的主场馆国家体育场（“鸟巢”）拥有更加完美的比赛设施，贫穷的杰西・欧文斯时代又有些什么呢？
　　罗伯托・卡洛斯这辈子估计是难以登月了，但只需要把他放到一块坑坑洼洼的草皮上，那场地效果也相差无几。这样的场地，草皮和足球之间的缝隙很小，难以将球搓起，也就无法谈到我们文章后面要说到的“马格努斯现象”了。除了场地因素外，当时法国队的人墙站位和守门员站位也都是随机的，很多任意球高手都喜欢在罚球时来一个“斯诺克撞球”，但有时候冲撞却无法入袋，反而成了排球的拦网出界。所以包括卡洛斯在内的许多任意球高手，每次主罚的任意球都不可能一样。不过，虽然每次不一样，但却有一个不容忽视的现象：在足球比赛里依靠任意球得分的比例逐步上升，但这并不全是球员个人能力的体现。足球制品、球鞋甚至鞋袜的设计都在一定程度上推动了足球运动的发展，而这些设计理念最基本的依据都来源于物理学。
　　几乎所有人都忽视了一点：博尔特并不是在和历史里的欧文斯竞争，而卡洛斯也不是在和他之前或之后所有的任意球大师竞争，实际上他们都是在和力作斗争。遗憾的是，由于参照物和每次作用力及反作用力的不同，产生的结果也各不相同。如果你最大限度地利用了力，你就获得了胜利；如果你被力所牵制，对你就意味着失败。换句话说：你应该和力做朋友，而不是作斗争。
　　
　　足球的物理解释
　　
　　体育运动里有很多现象都能从物理学角度进行解释：长指甲在游泳运动中能帮助选手在水中更快地触摸终点，但篮球运动员的长指甲却可能让他们失去手感；俄罗斯体育界认为女性怀孕后能获得比之前更优秀的成绩，欧洲足球界则认为罗圈腿能更容易掌握好脚下的足球。足球教练每一场临场指挥就像一次物理学的研究过程，他需要对场上瞬息万变的形势作出快速的判断，并安排出最有效的排列组合，以实现力量利用的最大化。
　　
　　实际上，在全球化体育运动高速发展的今天，追求“力量最大化”已经不是什么困难的事。欧洲体育界对运动物理学的研究由来已久，越来越多的体育项目也正在享受力量给他们带来的好处。但是，这些项目大部分为单人竞技项目，比如游泳、撑竿跳高和田径等。所以在足球运动中，物理学理论还局限在定位球战术安排和对周边环境的研究上。英格兰足总的训练教材里就将运动学和力学的理论作为重要篇幅予以介绍，俱乐部要求教练员对物理学的理解也比以往更加苛刻。在业界看来，对年轻球员的不正当使用和让球员错误地出现在不该出现的位置属于量子物理的范畴，而一些超负荷的损耗训练和带有伤害性的拼抢动作则违背了基本的力学原理。
　　英国巴斯大学运动学教授肯・布雷在一次亚洲足球科学研讨会上说：“足球运动早就不是一项单纯的竞技运动，科学已经渗透到足球的方方面面，即使是我们常说的任意球弧线、角球的速度、控球路线以及对点球的扑救，看似球员在场上的个性发挥，实际上都有章可循。”肯的发言其实蕴含了足球界的某种愿望，如果能够寻找并复制出那些奇迹背后的原理，那么就能复制出无数天才和胜利的时刻。这点我们在第一季的“明星学院”里曾多次提过，关于足球学问的出发点就是促进球队获得胜利和进步。那么我们本期“明星学院”要提到的足球物理学，是否也具备这种能力呢？
　　至少从目前的发展形势看，足球运动还无法直接利用物理学为自己带来胜利，但物理学对足球最大的贡献并不在此，而是它在很大程度上促进了其他相关学科的发展，这就像营养学和生理学的进步改善了球员的骨骼和身体条件，而优良的身体条件又能为球员获得更多的优势。阿森纳主教练温格就是运动物理学方面的专家，在他的影响下，英格兰大部分俱乐部改变了原来枯燥的训练方式和饮食习惯，并先后引进了先进的技术软件，俱乐部通过这些软件来对球员的个人身体和技术特点进行分析，或者研究阵型和战术。对球员的踢球技巧也能通过动力学来进行精确评估，评估的范围既包括界外球这样的基本技术，也包括一些诸如定位球和头球进攻等较为复杂的战术。
　　让人遗憾的是，大部分足球教练并没有认识到物理学在足球比赛和训练中的重要性，他们都是经验主义者，像当年阿森纳的格拉汉姆那样，只进行简单和粗暴的训练，拒绝繁琐和复杂的线路变化；或者是乐观主义者，以为球员穿上了先进的球鞋，他们的能力就能像撑竿跳高运动员那样从竹竿变到纤维竿后成绩取得飞跃。比乐观主义和经验主义更可恶的当属“霸权主义”，他们拒绝任何有关足球的科学解释。1998年世界杯八分之一决赛英格兰队被阿根廷队在点球大战中淘汰后，英国的一位物理学家迫不及待地写信给时任英格兰队主教练霍德尔：“从物理学的角度来看，成功率最高的点球应该是紧贴着地面滚入大门的，一个身体素质良好的守门员很容易向上或向左右两侧跳跃，以扑出点球……但是当他用手向下扑球时，他的重心必须急速下降，而手部向下移动的速度平均只有32英尺每秒――这种移动受到地球引力的影响，与皮球前冲的速度相差很远，所以贴着地面的点球是守门员最难扑出的球。然而您选择了巴蒂（戴维・巴蒂，英格兰队最后一个主罚点球，未罚中），巴蒂又选择了一种成功率最低的半高球。”对于物理学家的建议，霍德尔显得十分不屑，很快就用一封充满讽刺味的书信予以回击。
　　
　　卡洛斯的物理学
　　
　　
　　如果矮小的卡洛斯真的站在月球上，他的那记神奇任意球还能成真吗？事实是，如果能克服理论上的种种困难，这种情况很有可能实现。不过足球比赛终究还是在地球上进行的，而踢出那种弧线的难度也比在月球上行走容易得多。问题是，当你今后无数次见证类似卡洛斯那样的世界波时，你还会将这些不可思议的奇迹仅仅归于球员个人技术，或者认为是上天赐予的礼物吗？
　　即使是最富于幻想力的足球研究者，也试图从科学角度来解析足球界那些不寻常的现象，这就像人们尽管被UFO和幽灵的故事所吸引，但仍然相信世界上有一种学说能够解释这些特殊现象。的确如此，上天的恩赐的确美妙，但足球要的不是礼物，而是真理。足球界根本无法解释卡洛斯那粒怪异的入球，法国媒体只能作出这样苍白的解释：“根据牛顿第三定律，当某物体向右移动时，来自与该物体相斥的风速会对其起反作用。”在科学领域，物理学被看作是整个地球构成的基础学科，任何运动和学术的发展规律都来自于物理学概念，在他们遇到某些看起来不可能发生的世界奇观时，便会认为其超越了物理学的范畴。事实上，有关卡洛斯任意球的“牛顿第三定律”解释根本就是含混不清。
　　其实，最能够解释卡洛斯这种怪异的“自旋物体侧向偏转现象”的人不是牛顿，而是德国物理学家古斯塔夫・马格努斯。尽管马格努斯一直在试图说明的是为什么旋转的弹壳会偏向一方，但一个奇怪的现象却是，当人们谈论起“马格努斯效应”时，大部分人最先想到的都是足球：由于足球是具有弹性的物体，所以其运动规律适用于流体力学效应。在流体力学中，如果绕轴旋转着的圆柱体在作横向运动时，将承受流体给予的与运动方向相垂直的力，这种现象被称为“马格努斯效应”。如果击球的合力不通过球心，则球在产生向前运动的同时还产生旋转运动，一些任意球高手踢出的“香蕉球”，正是利用“马格努斯效应”在向前运动的过程中产生的横向漂移。
　　下期课程预告：足球训练学

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