说说香蕉球,还有一种你可能没见过的船

作者:寒木钓萌来源:科普中国发布时间:2018-07-03

球和船有什么关系呢?

出品:科普中国

制作:寒木钓萌

监制:中国科学院计算机网络信息中心

俄罗斯世界杯:说说香蕉球,还有一种你可能没见过的船


2018年俄罗斯世界杯期间,少不了一些精彩的香蕉球,为给您的看球助助兴,今天咱们就来好好说这种有趣又精彩的球。

世界杯赛场上的香蕉球现象,并非足球独有,实际上,看完本文您会发现,香蕉球的原理跟很多现象都是相通的,比如转子船。

俄罗斯世界杯:说说香蕉球,还有一种你可能没见过的船


船上那4个高大的圆柱子有何用?是烟囱吗?当然不是。它们又跟足球中的香蕉球有什么关系?不急,咱们慢慢道来。

同样是球,乒乓球中其实也有香蕉球现象,这就是旋球。

绿荫场上,香蕉球难以踢出来,但乒乓球很多人是打过的,旋球也是玩过的,玩到极致,甚至能让对方因为错误判断球的走向而摔一跤。

在物理学上,香蕉球是一种“马格努斯效应”,而要理解这种效应,最简单粗暴的办法是使用另一种原理,即伯努利定理。

两个气球摆在你面前,你没有珍惜,而是使劲一吹,按理,气球应该被吹开才是,但是……

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两个气球却紧紧靠在了一起,这是因为从两个气球之间吹气,中间气流速度加快,而伯努利定理说的是,流体的流速越快,压力就越小。

当两个气球间的气压变小了,周围的正常大气压就把它俩压在一起了。

那么,香蕉球现象又跟伯努利定理有什么关系呢?原因是,要想踢出香蕉球,前提是得让足球旋转起来。先来看一个从高坝上扔篮球的例子。

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(动图取自Veritasium的视频)

旋转的篮球从高坝上落下时,由于“香蕉球”现象,其横向飞了很远很远。原因如下图:

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上面动图中,足球在旋转时,球的上方,球面的运动方向与气流方向相反,由于球面的摩擦作用,上方的气流速度减慢了,这会导致上方气压大。

而球的下方,球面运动方向与气流相同,由于球面的带动作用,气流速度增加,导致下方气压小。

再来看一个气流方向相反的例子。

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如上图,我们不难分析出:下方气压大,上方气压小,那么压力就会推动球往上走。

足球、网球和乒乓球等,只要其旋转速度够快,就会出现绿荫场上的“香蕉球”现象。

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动图取自Veritasium的视频

从上面的分析,我们很容易得出这样的结论:如果你想让足球直线前进一段距离后,突然往左飞从而打进球门,那么在踢球时,应该从足球的右下发力,只有这样,足球才能左旋,也就是逆时针旋转。

简而言之,左旋,足球往左飞,右旋,足球往右飞。

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转子船,图片来自Dragos Baltateanu。

本文开头,我们提到了转子船,其是利用“马格努斯效应”为自己提供部分动力,而原因如下:

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帆船最适合在顺风的情况下行驶,而转子船最适合侧风的情况。如上面的动图,为便于描述,我们以图片所示方向为准。大风从上往下吹,而船上的转子为逆时针旋转,这导致转子前后出现气压差,转子后方的气压大于前方气压,压力作用在转子上,推动船前进。

这里,有网友会问,如上图,如果风是从下往上吹,那船岂不是会倒退?不会,因为我们可以很容易地将转子从逆时针转,变成顺时针转。

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综上,香蕉球现象是一种马格努斯效应,而为了简单理解这种效应,我们又引入了伯努利定理。不过,我们需要注意的是,马格努斯效应还有更深层的解释,但它涉及到湍流、尾流以及边界层等流体力学术语。看球本是一件轻松的事,咱们就不往更深处探索了。

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猜猜踢出这球的是谁?

最后,祝大家看球愉快!

(本文中标明来源的图片均已获得授权)

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