張建輝

(廣東北江實(shí)驗(yàn)學(xué)校 廣東韶關(guān) 512000)

足球運(yùn)動(dòng)中的物理原理

張建輝

(廣東北江實(shí)驗(yàn)學(xué)校 廣東韶關(guān) 512000)

該文在介紹足球運(yùn)動(dòng)基本知識(shí)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)地探討物理知識(shí)在足球運(yùn)動(dòng)中的體現(xiàn)。包括足球體育場(chǎng)的南北方向設(shè)置,30°左右的角度投擲界外球,落葉球和電梯球的產(chǎn)生,守門(mén)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(yǎng)學(xué)生足球興趣的同時(shí)讓他們了解基本的物理知識(shí),激發(fā)學(xué)習(xí)熱情,更好地提高成績(jī)。

足球 物理 原理

隨著對(duì)足球運(yùn)動(dòng)不斷深入的研究,人們發(fā)現(xiàn)了大量的物理知識(shí)解釋了光的反射導(dǎo)致球的黑白色,守門(mén)員撲救點(diǎn)球概率小因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間短,足球弧線球的產(chǎn)生由于氣體的流速和壓強(qiáng)關(guān)系,受力改變足球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及由于場(chǎng)地限制,為保證比賽的流暢和精彩規(guī)定足球比賽一方為11人;運(yùn)用動(dòng)量定理解釋了球的運(yùn)動(dòng)方向和速度,動(dòng)量守恒定律證明了對(duì)方發(fā)任意球時(shí),人墻隊(duì)員用手護(hù)著胸部和其他要害部分以及不用頭去阻止足球運(yùn)動(dòng)的重要性,最后用伯努利方程解釋了弧線球的形成機(jī)理。該文在總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)和資料的基礎(chǔ)上,對(duì)足球運(yùn)動(dòng)中的其他物理知識(shí)進(jìn)行了探討,希望可以在解釋足球場(chǎng)上各種“怪異”現(xiàn)象的同時(shí),為提高足球技術(shù)和成績(jī)提供了理論依據(jù)。

1 球場(chǎng)的南北方向設(shè)置

圖1 圖弧線球周?chē)諝饬骶€分布

國(guó)際足聯(lián)規(guī)定足球比賽場(chǎng)地必須是長(zhǎng)方形,長(zhǎng)度90～120 m,寬度45～90 m,球門(mén)高2.44 m,寬7.32 m,不同賽事由不同具體要求,國(guó)內(nèi)基層比賽的場(chǎng)地可因地制宜,不管在任何情況下,邊線的長(zhǎng)度必須要長(zhǎng)于球門(mén)線的長(zhǎng)度,球場(chǎng)內(nèi)的各個(gè)區(qū)域的面積不可以變更。球場(chǎng)地面必須平坦并且硬度要合適,以影響球的正常運(yùn)行和不傷害運(yùn)動(dòng)員為基本原則,正式比賽需使用人工草皮。場(chǎng)地標(biāo)記包括一下幾個(gè)方面。

（1）比賽場(chǎng)地是用線來(lái)標(biāo)明的,這些線作為場(chǎng)內(nèi)各個(gè)區(qū)域的邊界線應(yīng)包含在各個(gè)區(qū)域之內(nèi)。

（2）兩條較長(zhǎng)的邊界線叫邊線,兩條較短的線叫球門(mén)線;

（3）所有線的寬度不超過(guò)12 cm(5英寸)。

（4）比賽場(chǎng)地被中線劃分為兩個(gè)半場(chǎng)。

（5）在場(chǎng)地中線的中點(diǎn)處做一個(gè)中心標(biāo)記,以距中心標(biāo)記9.15 m(10碼)為半徑畫(huà)一個(gè)圓圈。球場(chǎng)區(qū)域包括禁區(qū)、角球區(qū)、球門(mén)區(qū)、小禁區(qū)、中圈、點(diǎn)球點(diǎn)等基本項(xiàng)目。國(guó)際足聯(lián)要求運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地方向主要依據(jù)于地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的科學(xué)原理。中午12時(shí)以前,太陽(yáng)光線從體育場(chǎng)自東向西照射,中午12點(diǎn)以后,光線從體育場(chǎng)自西向東照射,對(duì)于自北向南或自南向北跑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)都是“側(cè)光”,從而避免了陽(yáng)光直射運(yùn)動(dòng)員的眼睛。在比賽過(guò)程中,就會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多守門(mén)員會(huì)戴帽子比賽,這是由于即使體育場(chǎng)是正南北方向,在日照強(qiáng)烈時(shí),也會(huì)出現(xiàn)被陽(yáng)光刺眼的情況,不過(guò)這比正東西方向已經(jīng)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(dāng)球的整體從地面或空中越過(guò)邊線時(shí),即為球出界而成死球,應(yīng)由出界前最后觸球隊(duì)員的對(duì)方隊(duì)員,在球出界處擲向場(chǎng)內(nèi)任何方向。隨著足球比賽激烈程度和進(jìn)攻手段的增加,投擲界外球逐漸成為一種簡(jiǎn)單粗暴的助攻方式,因此，盡可能地將球擲得遠(yuǎn)成為球員的共同目標(biāo)。

據(jù)《物理學(xué)世界》報(bào)道,英國(guó)布魯內(nèi)爾大學(xué)物理學(xué)家的最新研究認(rèn)為,最適當(dāng)?shù)貟仈S角度應(yīng)該是30。,遠(yuǎn)小于此前物理學(xué)家估計(jì)的45。。球員在擲界外球時(shí),決定最終距離的因素主要有兩個(gè)：一是將球擲出時(shí)的初速度,另一個(gè)就是擲球角度。按照基本物理學(xué)定律,在一個(gè)拋射模型中,以45。角拋擲物體,可以使其飛行得最遠(yuǎn),不過(guò)這一模型是基于拋射時(shí)的速度不依賴(lài)于拋射角度這一假設(shè)。新的研究發(fā)現(xiàn),為了擲球時(shí)運(yùn)動(dòng)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(guò)程錄下來(lái),再用電腦軟件對(duì)比每次擲球時(shí)的速度和角度,最終得出30。角是最理想的拋擲角度?？紤]到每個(gè)運(yùn)動(dòng)員的臂長(zhǎng)、肌肉強(qiáng)度等都不一樣,理想角度對(duì)于每個(gè)運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)會(huì)有所差異,但最終范圍應(yīng)該在25。～30。之間。

在實(shí)際比賽中,我們還會(huì)觀察到球員在拋擲界外球時(shí)除了合理選擇角度會(huì)先助跑一定距離,在這個(gè)過(guò)程中,球員將助跑的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為足球的動(dòng)能,這也是使足球擲的更遠(yuǎn)的一種方法。

3 落葉球和電梯球

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

球員在主罰弧線任意球時(shí)不是把腳踢中球的中心點(diǎn),而是稍微偏向一側(cè),與此同時(shí)用腳背摩擦足球,讓足球在空中前進(jìn)的同時(shí)還在不斷地旋轉(zhuǎn)。這時(shí),一方面空氣迎著球向后流動(dòng),另一方面由于空氣與球之間的摩擦,球周?chē)目諝庥謺?huì)被帶著一起旋轉(zhuǎn)(如圖1所示)。這樣,球一側(cè)空氣的流動(dòng)速度加快,而另一側(cè)空氣的流動(dòng)速度減慢。物理知識(shí)伯努利方程告訴我們:氣體的流速越大,壓強(qiáng)越小。由于足球兩側(cè)空氣的流動(dòng)速度不一樣,它們對(duì)足球所產(chǎn)生的壓強(qiáng)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(cè)轉(zhuǎn)彎了。

(2)隨著足球技術(shù)的不斷發(fā)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(jù)不同人有所不同,但共同特點(diǎn)都是直上直下的感覺(jué),讓門(mén)將觸不及防（見(jiàn)圖2、圖3）。

4 結(jié)論

該文介紹了足球運(yùn)動(dòng)中常見(jiàn)現(xiàn)象的物理機(jī)理,得到如下結(jié)論。

(1)國(guó)際足聯(lián)考慮地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),避免球員受陽(yáng)關(guān)的影響,足球場(chǎng)南北方向設(shè)置。

(2)球員為了擲球時(shí)運(yùn)動(dòng)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(jù)氣流速度和壓強(qiáng)關(guān)系以及足球受力特點(diǎn)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(mén)員一般用手去擋球,球員被拌之后由于慣性會(huì)向前傾以及利用足球醫(yī)用噴霧劑的汽化原理緩解疼痛。

[1]徐文琦.北京體育大學(xué)體育教育專(zhuān)業(yè)足球課教學(xué)環(huán)境研究分析[D].北京體育大學(xué)，2009.

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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