运动器械流体力学分析

(一)运动状态的等效原则及应用

运动状态的等效原则是指在流体中运动的物体与周围流体作用的等效性,即物体在流体中运动时受到流体作用力,与物体静止不动,流体以相同的运动作用于物体的作用等效。类似于运动的相对性。

运用运动状态的等效原则可以降低成本,提高工作效率。例如,利用风洞实验和水槽模拟飞行器在空气中及水中器械的运动。依据运动的相对性原理,将器械、实物或模型固定在人工环境中,人为制造气流或水流流过物体,以此模拟空中或水中各种复杂的运动状态,获取试验数据。简单地说,风洞就是在地面上人为地创造一个“空间”。实现运动训练或产品设计的“一天等于一个年”的效果。

(二)旋转球弧线运动分析——马格努斯效应

根据伯努利原理可知,当球体在流体中既有平动又有转动时,由于球表面不光滑性和流体的黏滞性,球体表面会附着一层空气随着球体一起转动,球体周围形成空气环流附着层[图4-11(a)]、[图4-11(b)]。当球顺时针方向转动同时以一定的速度向前运动时,球的右边环流与周围空气层流方向相同,球体右侧空气流动速度比不旋转时流速大,在球体的左侧由于空气环流和层流的方向相反,空气流动速度比不旋转时流速小。根据伯努利原理,流速大处压强小,流速小处压强大,球体右侧受到的压强小于左侧受到的压强,相当于受到一个由左方指向右方的力,从而使球的飞行轨迹向右发生偏转。这种现象称为马格努斯效应,即空气动力使旋转物体改变运动轨迹的效应。

图4-11　不同情况的球在流体中产生的现象

体育运动中旋转球在空气中运动时,都会产生马格努斯效应,也称为罗宾斯效应。马格努斯效应在体育实践中应用十分广泛,如各种上旋球、下旋球及侧旋球的特殊轨迹,足球、排球、乒乓球、网球等都会出现马格努斯效应。其大小取决于物体运动的速度及旋转的速度、流体密度、球体质量、形状及球体表面的粗糙程度等。

(三)香蕉球的原理

香蕉球又称“弧线球”“弧旋球”,是足球运动中的技术名词,是指运动员运用脚法踢出球后并使球在空中向前做弧线运行轨迹的踢球技术。弧线球常用于攻方在对方禁区附近获得直接任意球时,利用其弧线运行状态,避开人墙直接射门得分。因其运动路线似香蕉形状,故称为“香蕉球”。

如图4-12所示,在足球比赛中,以右脚球员为例,主罚直接任意球的时候用右脚内侧向侧前方向踢球,足球向球门方向运动(以后以球门方向为前),同时脚内侧的摩擦使足球产生逆时针方向的旋转(自上向下俯视方向),由于空气具有一定的黏滞性,因此当球转动时,空气与球面发生摩擦,旋转着的球就带动周围的空气层一起同向转动,在足球旋转的带动下,足球周围也将产生和足球旋转方向一致的环流。又由于足球同时向前运动,因此相对于足球前进的方向,在足球飞行过程中周围空气气流产生相对于足球是向后的层流。这样在足球的左侧,旋转产生的环流和飞行中的层流方向相同,导致足球左侧空气流动速度加快;在足球的右侧,旋转产生的环流和飞行中的层流方向相反,使该侧气流流速变慢。根据流体力学的伯努利定理,在速度较大一侧的压强比速度较小一侧的压强小,球左侧受到的压强小于球右侧受到的压强。因为球所受空气压力的合力左右不等,总合力向左,所以球在运行过程中就产生了向左的运行,即产生弧线。

图4-12　香蕉球飞行轨迹的变化

至于旋转球在飞行一段时间以后突然出现的拐弯现象,是由于球在刚开始运动时,其平动速度较大,单位时间内其平动位移较大,旋转的压力差虽然不断改变着平动速度的方向,但相对于较高的平动运动的速度来说,它所引起运动轨迹弯曲度显得较小。而在球体运动末期,因平动速度的大幅度减小,而旋转的角速度减小较慢,故球体的偏转现象比较明显,宏观观察到的现象是,运动的轨迹体现出突然转弯的现象。这种空气作用效应在其他球类项目中也常见。

(四)乒乓球弧圈球的原理

以上旋球为例分析乒乓球在空气中运行轨迹(图4-13)。上旋球在空气中绕球的额状轴向前旋转飞行。这种上旋飞行的球落在台上之前,在马格努斯效应下乒乓球的上方受到的压强大于球的下方受到的压强,使飞行中的球过网后急促下降着台,落地点要比不旋转的球的落地点近。因为球体是旋转的,在与台面碰撞时,乒乓球相对台面有向后运动的趋势,乒乓球会受到台面给予的水平向前方向的冲量,从而使球获得一个水平速度的增量,所以乒乓球反弹后会形成强烈的前冲效果。乒乓球的反射角大于入射角,上旋球转速越快,所获得的水平速度增量就越大,反射角就越大;上旋球飞行的方向越平缓,即入射角越大,反射角也就越大。

图4-13　乒乓球上旋球轨迹变化

(五)排球飘球的原理

排球飘球是指不旋转、在空中飘晃飞行的球。主要见于发球之中,飘球在飞行中的飘晃性给对方运动员的判断带来了困难,增加接发球的难度,是常用发球技术之一。从现象上看,飘球在空中飞行的轨迹不是一条光滑的抛物线,类似周期摆动,或是以突然失速下吊的方式运动。从发球技术上来看,发飘球时,要使作用力通过球体重心,球不发生旋转。击球时手和球的接触面要小,发力突然、短促,手腕跟球的时间要短(图4-14)。

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图4-14　排球扣球

飘球的形成是运动员大力击球,使球变形且不旋转快速飞行,由于球体表面粗糙不光滑附着一层空气,根据马格努斯效应的作用,再加上球的严重变形及排球质量较轻,使球飞行时四周受到的空气压力不均匀,形成的压强差位置变化不定,促使使排球脱离抛物线轨迹形成了飘浮不定的飘球。

历史事件人物

贝克汉姆

这也许是全欧洲最昂贵的右脚,擅长用内脚背主罚,足球以悦目的内旋弧线向对手的大门死角飞去。贝克汉姆从小接受科班训练,一招一式看上去非常朴实正统。为了提高速度,他必须扭摆全身,让身体完全倾斜来增大足球的内旋速度,通常给人以迅雷不及掩耳的感觉,这就是我们常见的贝氏任意球主罚姿势。门将总会纳闷为什么经常是判断准方向却仍然慢了半拍,科学数据告诉我们,小贝的每次任意球射门球速都在110 km/h以上,人们将他的旋转、快速、落点准确的弧线球称为“贝氏弧度”,在进攻上是简单却一击致命的有效武器。昔日任意球大师普拉蒂尼曾如此评价:“贝克汉姆肯定是欧洲最好的右脚任意球队员,如果不幸和他所效力的球队相遇,绝对不要在本方大禁区附近给他任何机会。”

经典回放:2002年世界杯预选赛,对希腊一战,最后一分钟,最激动人心的一脚,价值1亿英镑!

罗纳尔迪尼奥

作为当今世界头号球星,小罗的任意球速度与弧线结合得异常完美,在格雷米奥,在巴黎,在巴塞罗那,人们习惯了他用一次次精准的半高球羞辱对方门将。加入红蓝军团的第一年他以15粒进球帮助巴萨重回巅峰,并进而获得世界足球先生头衔。他在国家队的地位也直线上升,除非35 m开外,不然小罗基本包办了禁区前沿的所有定位球,其脚头之精准也得到各方好评。更可怕的是巴西天王罚任意球往往不用助跑,以小腿发力就能完成所有工序,让对方门将无从判断球路。在那场世纪大战中虽然球队落败,但小罗罚出的绕过人墙的任意球让西甲头号门神卡西利亚斯根本来不及反应。

经典回放:2004年巴塞罗那主场与皇家社会一战,直到第90分钟巴萨还以0∶1落后,小罗自己博得了一个禁区前任意球,距离有点近,但巴西人射出的任意球依然直窜左下死角。整个诺坎普疯狂了,既为在积分榜上超越老对头皇马,也为他们新国王的降临而抑制不住内心倾泻而出的激动。

罗伯特·卡洛斯

其貌不扬的巴西小个子卡洛斯有着一个神奇的左脚,他上肢短小,大腿粗壮有力,小腿摆动幅度隐蔽而迅速,依托强大的爆发力量主罚任意球。对手们绝不敢在禁区外轻易地犯规,因为这个神奇小子主罚的任意球和被判罚点球几乎没区别。此外,卡洛斯好像也在学习桌球斯诺克的嫁接球原理,通过人墙中第三者碰撞而让足球改变方向打进球门有时让人觉得是他刻意计算出来的,他不需要费事去躲避“人墙”封堵而可以直接考验“靶子”的反弹力。那血脉偾张、霸气十足的任意球正是这袖珍金左脚称雄世界足坛的金字招牌。

经典回放:1997年法国四国足球邀请赛上打入法国队球门的那个足以载入史册的40 m远石破天惊的外旋飞弹。赛后法国报纸因为无法解释卡洛斯是如何将那个飞向角旗的球变向打进球门,不得不以物理学角度调侃解释“根据牛顿第三定律,当某物体向右移动时,来自物体相斥的风速会对其起反作用。”

小儒尼尼奥

里昂实现不可思议的联赛四连冠,小儒尼尼奥是当之无愧的最大功臣。自打加盟法甲班霸以来擅长严谨组织调度的他就蜕变为法兰西赛场首屈一指的中场艺术家。同时,这个巴西人还是顶尖的任意球大师,据统计其每七次主罚定位球就有一次绕过人墙旋入球门,这个概率是何等可怕。卡恩应该是最清楚巴西人厉害的一个,冠军联赛中德国门神就被小儒尼尼奥的任意球肆意羞辱。就连公认的顶尖定位球高手阿松桑和卡洛斯都曾坦然承认同胞的绝艺在自己之上。小儒尼尼奥的任意球绝技依赖于天赋和感觉还有苦练,一直以来,每次训练之后至少加练20个任意球已经成为他的固定习惯。虽然在国家队他还属于配角式的人物,但在崇尚技术足球的法兰西,他是绝对的王者至尊。

经典回放:冠军联赛中小儒尼尼奥35 m处的任意球直接攻破不莱梅门将莱因克把守的大门,堪称传世经典,被公认为上届冠军联赛最佳进球之一,媲美小罗打进切尔西,加西亚打进尤文的那两脚魔幻进球。

米哈伊洛维奇

左脚外脚背的任意球抽射是米哈的拿手好戏,在距离球门40 m内的直接任意球射门无懈可击。米哈的任意球势大力沉,是角度刁钻而且旋转强烈的结合完美的艺术品。其主罚任意球的时候通常会尽可能用小腿发力,大腿摆动幅度非常小,让守门员无从判断球路,故而神鬼莫测。“我们已经问过欧足联在米哈伊洛维奇罚任意球时我们是否可以用两名门将,我认为那是唯一阻挡他的方法。”当年勒沃库森在欧洲冠军联赛上和拉齐奥队分在同一小组时,该队功勋教练道姆自我解嘲说。“米哈”的任意球功夫独步欧陆足坛,是亚平宁赛场打入直接定位球纪录的保持者,甚至我们想到米哈几乎第一印象就是注册商标式的任意球,反之亦然,几乎成了条件反射,而其“弹不虚发”见血封喉的准头也让对手胆寒。

经典回放:1999年,米哈伊洛维奇在对桑普多利亚队的比赛中以直接任意球连中三元,创造了前无古人、后也难有来者的历史性壮举。