足球運動中的物理原理

張建輝

(廣東北江實驗學校 廣東韶關 512000)

足球運動中的物理原理

張建輝

(廣東北江實驗學校 廣東韶關 512000)

該文在介紹足球運動基本知識的基礎上,詳細地探討物理知識在足球運動中的體現。包括足球體育場的南北方向設置,30°左右的角度投擲界外球,落葉球和電梯球的產生,守門員接球部位,球員被鏟后身體前傾以及受傷治療所使用的噴霧劑。希望在培養學生足球興趣的同時讓他們了解基本的物理知識,激發學習熱情,更好地提高成績。

足球 物理 原理

隨著對足球運動不斷深入的研究,人們發現了大量的物理知識解釋了光的反射導致球的黑白色,守門員撲救點球概率小因為反應時間短,足球弧線球的產生由于氣體的流速和壓強關系,受力改變足球的運動狀態以及由于場地限制,為保證比賽的流暢和精彩規定足球比賽一方為11人;運用動量定理解釋了球的運動方向和速度,動量守恒定律證明了對方發任意球時,人墻隊員用手護著胸部和其他要害部分以及不用頭去阻止足球運動的重要性,最后用伯努利方程解釋了弧線球的形成機理。該文在總結相關文獻和資料的基礎上,對足球運動中的其他物理知識進行了探討,希望可以在解釋足球場上各種“怪異”現象的同時,為提高足球技術和成績提供了理論依據。

1 球場的南北方向設置

圖1 圖弧線球周圍空氣流線分布

國際足聯規定足球比賽場地必須是長方形,長度90～120 m,寬度45～90 m,球門高2.44 m,寬7.32 m,不同賽事由不同具體要求,國內基層比賽的場地可因地制宜,不管在任何情況下,邊線的長度必須要長于球門線的長度,球場內的各個區域的面積不可以變更。球場地面必須平坦并且硬度要合適,以影響球的正常運行和不傷害運動員為基本原則,正式比賽需使用人工草皮。場地標記包括一下幾個方面。

（1）比賽場地是用線來標明的,這些線作為場內各個區域的邊界線應包含在各個區域之內。

（2）兩條較長的邊界線叫邊線,兩條較短的線叫球門線;

（3）所有線的寬度不超過12 cm(5英寸)。

（4）比賽場地被中線劃分為兩個半場。

（5）在場地中線的中點處做一個中心標記,以距中心標記9.15 m(10碼)為半徑畫一個圓圈。球場區域包括禁區、角球區、球門區、小禁區、中圈、點球點等基本項目。國際足聯要求運動場地方向主要依據于地球公轉和自轉的科學原理。中午12時以前,太陽光線從體育場自東向西照射,中午12點以后,光線從體育場自西向東照射,對于自北向南或自南向北跑動的運動員來說都是“側光”,從而避免了陽光直射運動員的眼睛。在比賽過程中,就會發現有很多守門員會戴帽子比賽,這是由于即使體育場是正南北方向,在日照強烈時,也會出現被陽光刺眼的情況,不過這比正東西方向已經好很多了。

圖2 C羅的電梯球

圖3 皮爾洛電梯球

2 投擲界外球

足球比賽中,當球的整體從地面或空中越過邊線時,即為球出界而成死球,應由出界前最后觸球隊員的對方隊員,在球出界處擲向場內任何方向。隨著足球比賽激烈程度和進攻手段的增加,投擲界外球逐漸成為一種簡單粗暴的助攻方式,因此，盡可能地將球擲得遠成為球員的共同目標。

據《物理學世界》報道,英國布魯內爾大學物理學家的最新研究認為,最適當地拋擲角度應該是30。,遠小于此前物理學家估計的45。。球員在擲界外球時,決定最終距離的因素主要有兩個：一是將球擲出時的初速度,另一個就是擲球角度。按照基本物理學定律,在一個拋射模型中,以45。角拋擲物體,可以使其飛行得最遠,不過這一模型是基于拋射時的速度不依賴于拋射角度這一假設。新的研究發現,為了擲球時運動員臂部及背部肌肉更利于水平方向的力作用于足球,許多球員都選擇以30。左右的角度擲球。研究中,研究人員首先讓2名球員以各種角度擲球,并將他們的擲球過程錄下來,再用電腦軟件對比每次擲球時的速度和角度,最終得出30。角是最理想的拋擲角度。考慮到每個運動員的臂長、肌肉強度等都不一樣,理想角度對于每個運動員來說會有所差異,但最終范圍應該在25。～30。之間。

在實際比賽中,我們還會觀察到球員在拋擲界外球時除了合理選擇角度會先助跑一定距離,在這個過程中,球員將助跑的動能轉化為足球的動能,這也是使足球擲的更遠的一種方法。

3 落葉球和電梯球

(1)在現代足球比賽中,任意球常常成為攻破對方球門最簡單有效的方式,其中弧線任意球(香蕉球)最為常見,以貝克漢姆為代表的任意球大師常常為我們帶來嘆為觀止的絕佳表現。

球員在主罰弧線任意球時不是把腳踢中球的中心點,而是稍微偏向一側,與此同時用腳背摩擦足球,讓足球在空中前進的同時還在不斷地旋轉。這時,一方面空氣迎著球向后流動,另一方面由于空氣與球之間的摩擦,球周圍的空氣又會被帶著一起旋轉(如圖1所示)。這樣,球一側空氣的流動速度加快,而另一側空氣的流動速度減慢。物理知識伯努利方程告訴我們:氣體的流速越大,壓強越小。由于足球兩側空氣的流動速度不一樣,它們對足球所產生的壓強也不一樣,于是足球在空氣壓力的作用下,被迫向空氣流速大的一側轉彎了。

(2)隨著足球技術的不斷發展,任意球的形式也不斷地更新,最具代表的是巴西球星。

(3)還有一種嘆為觀止的任意球是電梯球,它是落葉球的一種,代表人為有葡萄牙球星C羅,意大利球星皮爾洛,電梯球的提法根據不同人有所不同,但共同特點都是直上直下的感覺,讓門將觸不及防（見圖2、圖3）。

4 結論

該文介紹了足球運動中常見現象的物理機理,得到如下結論。

(1)國際足聯考慮地球自轉和公轉,避免球員受陽關的影響,足球場南北方向設置。

(2)球員為了擲球時運動員臂部及背部肌肉更利于水平方向的力作用于足球,選擇以30。左右的角度擲球。

(3)根據氣流速度和壓強關系以及足球受力特點解釋弧線任意球、落葉球、電梯球的形成方式。

(4)為了緩沖足球的沖擊力,守門員一般用手去擋球,球員被拌之后由于慣性會向前傾以及利用足球醫用噴霧劑的汽化原理緩解疼痛。

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[3]葛秋芳.怎樣把界外球拋遠——足球賽中的物理學應用[EB/ OL].新華網，2006-05-23.

[4]楊軍,沈益明.關于高校物力資源配置及促進資源高效使用研究[J].科技創新導報，2012(36)：251-252.

[5]孫輝.物理知識在球類運動中的運用研究[J].中國校外教育中旬刊,2012,6（17）：125.

Physical Principle Insoccer

Zhang Jianhui
（Guangdong Beijiang Experimental School， Shaoguan Guangdong， 512000， China）

The physical knowledge in football is discusses detailedly based on the introduction of the basic knowledge of football, including the north and south direction of the football stadium, throw-in by the angle which is about 30 degrees, the appearance of lift ball and falling ball, the position of the keeper to catch the ball, players lean forward after been shoveled and the spray for treatment. It is hoped that students' interest in football can be cultivated so that they could understand the basic physics knowledge, meanwhile, their learning enthusiasm can be stimulated and their performance can be improved.

Football; Physics；Principle

G8

A

2095-2813(2017)01(a)-0244-01

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.01.244