香蕉球背后的力學知識

在綠茵場上，經典的香蕉球破門場景，常常成為賽事視頻中被反復播放的高光時刻。當運動員起腳勁射，足球如離弦之箭般朝著 “人墻” 飛去，就在眾人以為它即將偏離球門飛出場外時，足球卻如同被施了魔法一般，在空中劃出一道優美的弧線，繞過 “人墻” 后急速拐彎，直竄球門死角。這一難以捉摸的射門軌跡方式，便是足球運動中大名鼎鼎的 “香蕉球” 。

中國科技館二層的 “運動之律” 展區內，設有 “香蕉球” 和“馬格努斯效應”展品。該展品通過多維度呈現方式，深入闡釋香蕉球背后的科學原理，幫助觀眾深刻理解其中所涉及的力學知識。

當觀眾體驗 “香蕉球”展品時，需要通過精準調整 “小足球”的旋轉方向與出球角度，進而射出一記精妙的 “香蕉球”。這顆 “小足球” 能夠巧妙地繞過球門前嚴陣以待的防守隊員與守門員，徑直命中球門，帶來視覺與體驗上的雙重震撼。不過，想要成功射出這樣精彩的 “香蕉球” 并實現破門得分，并非輕而易舉之事。在這一過程中，觀眾需要不斷地進行探索與嘗試，在多次實踐中逐漸掌握其中的規律，最終達成目標。

當觀眾參與到旁邊的 “馬格努斯效應”展品時，通過調整圓柱體的旋轉方向與旋轉速度，借助展品后方的顯示器，能夠直觀地觀察到氣流在經過旋轉圓柱體時的動態變化，以及圓柱體相應的傾斜方向。觀眾可通過這種直觀的互動體驗，深入探究其中所蘊含的科學規律，感受科學的魅力與奇妙。

那么，“香蕉球” 為什么會在飛行中拐彎呢？這要先從流體的粘滯性說起。足球在運動過程中，其表面會附著一層薄薄的空氣。當 “香蕉球” 一邊飛行一邊轉動時 ，會帶動表面的空氣一起旋轉。此時，足球一側轉動的線速度和球的前進速度相加，使得迎面氣流受到較大阻力；而另一側自轉的線速度和前進速度相減，這樣足球兩側的氣流速度就產生了差異。根據伯努利原理 “流速快的一側壓力小，流速慢的一側壓力大”，足球便受到一個側向的力，也就是馬格努斯力，這就導致了足球飛行軌跡的彎曲。

1852年，德國物理學家古斯塔夫·馬格努斯在進行炮彈飛行實驗時，發現飛行中的旋轉炮彈相比不旋轉炮彈會出現軌跡偏移現象。這種偏移并不是由于空氣阻力等因素造成的，而是與炮彈的旋轉密切相關。基于上述現象的觀察，馬格努斯提出假設，物體的旋轉會使周圍的空氣流動狀態發生變化，從而產生一個額外的橫向力，導致物體的運動軌跡發生偏移。通過大量的實驗和分析，馬格努斯最終證實了他的假設，即旋轉物體在空氣中運動時會受到一個額外的橫向力，這個力是由于物體旋轉引起的周圍空氣流動狀態改變而產生的。這一現象被命名為馬格努斯效應，為后來的空氣動力學研究奠定了基礎。而 “香蕉球” 在空中拐彎，正是馬格努斯效應在足球運動中的生動體現。

馬格努斯效應的應用范圍十分廣泛，除了在球類運動中展現奇妙效果外，在航空航天航海領域也發揮著重要作用。在航空航天方面，會利用馬格努斯效應來提高導彈在飛行過程中的機動性和準確性：通過使導彈產生旋轉，利用馬格努斯效應產生的橫向力來調整導彈的飛行軌跡，從而更準確地命中目標。在航海領域，旋筒風帆船是一種利用馬格努斯效應來推動船只前進的新型船舶，它通過在船上安裝巨大的旋轉圓柱體作為風帆，當圓柱體旋轉時，利用馬格努斯效應產生的橫向力來推動船只前進。這種船舶具有節能環保、航行效率高等優點。可見，馬格努斯效應在多個領域都有著不可忽視的價值，為科技發展和運動競技帶來了獨特的助力。

（本欄目合作單位：中國科學技術館）