神鬼奇航

南非世界杯，直接任意球進球罕見，守門員“黃油手”事件和長傳失誤倒是層出不窮，這都是空氣動力學使的壞。

當占據主場優勢的加納用一個35米左右的反彈球遠射敲開烏拉圭的大門后，非洲球隊看上去即將歷史性首次闖進4強。

直到下半場第55分鐘，加納的禁區右側角外兩米，烏拉圭獲得了一個寶貴的任意球機會。通常，禁區弧頂是直接任意球的最佳區域，而角度這么偏的位置，罰球隊員往往會將球傳到6碼線附近，以期待身材高大的隊友頭球攻門。

烏拉圭隊長弗蘭將球擺好，助跑了4步，用內腳背踢向皮球的側下部，“普天同慶”迅速飛了起來，高高越過了三名防守球員組成的人墻頭頂。剎那間，加納門將已經意識到，這個球并不是傳球，而是一個南美技術型球員常用的“香蕉球”，射向他所把守的大門近角，于是金森向身體右側移動了小碎步。

可是，當“普天同慶”越過人墻后，意料不到的事情發生了:突然轉向去了遠角，并高速下墜。失去位置的金森只能原地跳起，試圖伸展手臂救球，但還是沒能摸到皮球的邊——球進了!烏拉圭球員瘋狂慶祝，金森則一臉困惑。

賽后，弗蘭獲得了FIFA的本場最佳球員，他的直接任意球幫助烏拉圭六十年來再次殺入4強。對這個任意球破門，媒體紛紛稱詭異，說它簡直就是個“S形任意球”。

S形任意球和阻力突變

其實在物理學中，研究“香蕉球”不算個新玩意兒。最早研究它力學原理的是我們無處不在無縫不入的牛頓老前輩。早在1667年，他23歲的時候就已經給出網球自轉和弧線球之間相互關系的深刻見解。至今看來，他的解釋還是相當靠譜:當一個球體在旋轉的時候，一側比另一側更猛烈地擠壓氣體，由此能夠引起更大的阻礙作用。現在我們所知道的這個現象就是馬格努斯效應。它是1877年，在瑞利勛爵(Lord Rayleigh)的論文中，以第一個正確解釋該現象的德國物理學家海因里奇#8226;馬格努斯(Heinrich Magnus)的名字來正式命名的。馬格努斯發現，一個沿著對稱軸旋轉的圓柱體在垂直對稱軸的來流中會受到一個側向力的作用。

牛頓和馬格努斯其實只是剛剛給我們的故事開了個頭，而普朗特(Ludwig Prandtl)則帶來了流體力學一次徹底的革命。1904年，他發現一切流體中的物體，無論是飛機、炮彈、還是魚兒、蝌蚪都裹著一層層看不見的流體衣服——“邊界層”。

為了說清楚這個概念，讓我們先來討論一個更簡單的問題:空氣中直線不旋轉的小球。當一個球體在空氣中滑行時，同球面的接觸的空氣永遠和球面上的那個接觸點擁有相同大小和方向的速度。因此，緊貼著球體的一層空氣就像一件緊身衣，形影相隨地跟著球體運動。球體靜止，它也紋絲不動;球體直飛，它也跟著動若脫兔。

在這層緊身衣外面的那層就會稍稍寬松一點，好像一件輕薄的襯衫。它可以隨著緊身衣運動，但是不像緊身衣對球體那么言聽計從了。再外面一層是更寬松休閑的毛絨衫。這樣一層一層穿下去，直到最外面層，便是更加寬松飄逸的霓裳羽衣服了，基本上不隨球體旋轉了。

科學家們逐層測量空氣的速度，如果某一層空氣的速度只達到球面接觸點速度的5%(也有人采用1%)時，他們就定義這層“衣服”是“混搭裝扮”的外層邊界。“外衣”到球體之間的部分合起來就叫做“邊界層(boundary layer;航空科學上也稱之為附面層)”。這個邊界層非常薄，例如一個一米長的平板，以20米每秒的速度平行來流飛行的話，邊界層最厚的地方大概只能達到3毫米。

通過邊界層，球體運動就和外界發生了密切關系。因為邊界層內的衣服越穿越不緊。每層之間就會發生相對運動和相對摩擦。這些摩擦將會把球體的能量消耗掉，從而減慢了球體的運動。這就是流體中摩擦阻力的由來。但是，這些摩擦阻力往往不足掛齒。在高速流動中，球體還會不斷地表演“脫衣舞”(邊界層分離，boundary layer separation)。

好玩的是，那些愛脫衣服的地方都在球體后面。這些性感裸露的外面會形成一個低速區。那里流動亂七八糟，壓力還相對較低。結果，球體前面的空氣就對后面形成了優勢，拼了命地往后推，從而形成了“形狀阻力”。摩擦阻力和形狀阻力同心協力，共同構成了流體中的阻力。

為了讓具體的實驗結果具有普適性，科學家們用一個阻力系數來表示阻力的大小。對于同一個物體同樣的迎風飛行的速度和方向而言，阻力系數越大就意味著阻力越大。

當球體旋轉起來，它就更加生動了。如果你站在球體上，你會發現旋轉的球體總有一面是迎著風勇往直前的，另一面是順著風順坡騎驢的。“勇往直前”的那面，邊界層里的空氣順著球體表面向后運動時，早早就被甩到后面去了。“順坡騎驢”的空氣在邊界層里懶得下“驢”，能拖就拖，比勇往直前晚了許多被脫掉。結果，“勇往直前”就更接近真理，順坡下驢就裹得更嚴實。和“型阻”的產生同樣的道理，赤裸的一面就有了一個更大的低速區。球體很害羞，總想把赤裸的一面擋在身后，所以就慢慢朝向順坡下驢那一面飛去了。于是，你終于發現“香蕉球”形成了!而且隨著轉速增加，這種趨勢更加強烈。(物理學術語解釋:邊界層分離總是在迎風面提前，順風面延遲。這種不對稱性造就了重力和阻力以外的橫向力。)如今，馬格努斯效應已經歸結為這種邊界層的不對稱分離了。

由此看來，我們一下子看懂了弗蘭的兩個任意球特點:香蕉球來自于足球的快速旋轉，而快速旋轉來自于他出球時瞬間的抹球。用鞋帶部分觸球增大了球體前滾翻的轉速。

這個飄忽不定的S形是怎么出來的呢?阻力曲線圖上，隨著速度(橫坐標的雷諾數)增加，我們發現阻力系數(縱坐標)有個突降。這個并不是實驗不準確造成的。而是科學上臭名昭著難以解決的“湍流”產生的作用!發生阻力系數突降的雷諾數被稱作臨界雷諾數。如果一個不旋轉的球體，速度達到一定程度，球體雷諾數會超過臨界雷諾數(大概十萬到五十萬左右)。邊界層里的空氣將會突然變成“湍流”，邊界層轉化為湍流邊界層。

湍流邊界層擁有更大的能量，可以在球壁上附著很遠。球體如果旋轉起來的話，請回到勇往直前和順坡下驢:勇往直前如果過于勇猛(轉速足夠高)，勇往直前會率先變身，結果勇往直前突然穿上圣衣，一下子比順坡下驢裹得還嚴實，從而減弱了赤裸部分對應的低速區。

為了把赤裸部分藏在身后，球體就會往順坡下驢的一面運動了(反馬格努斯效應)。隨著速度下降，球體運動的雷諾數又低于了臨界雷諾數，湍流就會消失。根據前文的推斷，球體又瞬間轉向了勇往直前一邊。轉彎的瞬間，轉速相對增加，湍流可能再一次出現。因此雷諾數有可能在臨界值附近反復往返變化，而阻力系數就會來回地突變，所以守門員就會發現球體運動方向飄忽不定——弗蘭發出的任意球很可能正是處于接近臨界球速區域，因此出現了詭異的S形。

本田圭佑的慢速變化球

從英格蘭的格林開始，守門員不斷上演著“黃油手”，連世界最佳門將之一、西班牙的卡西利亞斯也出現過多次撲球脫手，巴西的塞薩爾更是因為沒有判斷對荷蘭人斯內德任意球的球路，導致巴西意外出局。

不僅門將，球員也在責怪世界杯用球“普天同慶”不好使，特別明顯的就是大牌球員的長傳球失誤增加。但制造商adidas公司回應，相比過去的14塊皮片，新款足球由8塊皮片組成，并且表面還有空氣動力學凹槽，而且通過了嚴格的風洞測試。總之穩定性提高了30%。

“普天同慶”是2006年世界杯時使用的“團隊之星”的升級版。當時，阿迪達斯公司說它是世界上最精準的足球，但是球員抱怨它跟他們習慣踢的足球不同。

現在“普天同慶”遭遇了與“團隊之星”同樣的問題。

一個主要的問題是所謂“慢速變化球”(Knuckle-balling)。

這種變線球在球的運動過程中，球的軌跡會向不明方向發生偏離。產生這種現象的原因，是球在直線飛行的過程中，球體不產生旋轉。(這就有點像子彈一樣，如果子彈從槍膛里出來后，不經來福線加以旋轉，子彈就會在射向目標的方向上發生翻轉，子彈飛不了多遠，也就失去了它應有的殺傷力。子彈的這種旋轉，就是利用了物理學里的“陀螺旋轉”原理。)

具有諷刺意味的是，這種失去旋轉的球，由于受到空氣動力學方面的影響，會使球從正常的軌跡中發生偏離。這種球的球面并非完完全全地平滑，表皮與表皮之間的粘合部，都存在著接縫，球體表面的不平滑，正是由于有這些接縫處的凸邊存在。球體表面的不規則致使球體在運行過程中，其四周產生不對稱的氣流，致使球體向氣壓小的方向上偏離。

球的總體設計和新增加的凹槽使得在相當于以禁區周圍發任意球時踢出的速度時，在正常的出球速度下，“普天同慶”更易于成為慢速變化球。

葡萄牙的C羅正是發出這種很少旋轉的任意球的高手，但本屆杯賽，真正射出驚世駭俗的慢速變化球，只有日本球員本田圭佑。對丹麥的比賽中，他在距離球門37米的位置，射出時速107公里的任意球，然后“普天同慶”就呼嘯著飛向球門底角，讓丹麥守門員索倫森措手不及。