随着巴西世界杯如火如荼的进行,这个炎热的夏季也因绿荫场上的小小足球而再度升温。不过世界杯赛场上的用球不同寻常,颇具讲究,可谓是聚集了当今球类领域最先进的空气动力学技术,本届2014年世界杯的比赛用球就是一种经过风洞考验的足球。
此次比赛用球由阿迪达斯公司设计,被命名为“Brazuca”,其在巴西俚语中的意思是“巴西人”,暗示了巴西在足球领域的统治地位。随着世界杯的开赛,来自NASA埃姆斯中心的研究人员亲自对2014年世界杯比赛用球进行了风洞测试。虽然NASA没有参与世界杯的比赛用球设计,但其庞大的风洞系统却验证了世界杯赛事用球是符合空气动力特殊要求的设计。
拉比-梅塔博士在风洞中使用烟雾和激光装置查看“Brazuca”足球周围气体的流动状态,研究“Brazuca”足球的空气动力学特征。
鸟瞰NASA艾姆斯研究中心风洞:NASA艾姆斯研究中心在加州莫菲特场有一个大型风洞,这里是汇集了全球顶尖的空气动力学专家,在此方面的基础研究也走在世界前列,风洞设施可对三维结构(如圆柱体、球体)的物体进行“吹风”,以了解物体周围的气流流动状态,工程师可以根据计算结果进行微调,修出符合空气动力学的外观,同时也可以改变气流流动模式,从不同的角度观察被测物体的气动特征。
“Brazuca”足球只有6个平面构成:传统的足球由32个平面构成,一般情况下有12个正五边形和20个正六边形,随着技术的进步,足球的“构成平面”开始简化,2010年的南非世界杯官方比赛用球“Jabulani”就只有8个平面,但“Brazuca”足球只有6个。面的减少使得足球在飞行过程中更加稳定,因为气流在各面接缝中的轨迹变化多端,风洞结果显示这些不稳定的气流走向会导致足球飞行轨迹的不可预测度增加。
0.4米流体通道测试“Brazuca”足球:尽管使用了较少的面来制造“Brazuca”足球,但是相比较之前世界杯用球,“Brazuca”的接缝长度却增加了,与南非世界杯的“Jabulani”足球相比,前者的接缝会更深一些,各面板的皱折更微小,这些因素都会影响球的空气动力学性能。
艾姆斯流体力学实验室0.6米×0.6米风洞中测试:对NASA的空气动力专家而言,球面上的细微结构对球的飞行轨迹影响较大,理想球体的空气动力学性能各向较为均一,如果表面存在突起,那么飞行距离和方向就会出现较大幅度的变化,这其中还有很奇特的现象,比如表面光滑的高尔夫球与表面有纹路的相比,明显飞行距离要短得多,这是因为球面规则的凹痕可在球体气动结构的后端形成一个较小的低压尾流,对飞行距离的提升有较大的帮助,球面附近建立的薄空气层被称为边界层,该气动层对足球飞行性能的影响至关重要。
NASA艾姆斯研究中心3.3×3.3米跨声速风洞:埃姆斯中心有着各种尺度的风洞,比如3.3×3.3米跨声速风洞就用来对最新式的SLS火箭、战斗机进行气动研究,测试足球这样小体积的物体时工程师使用了0.6米×0.6米的风洞,并通过控制烟流和激光来重点检查某个部位的气流,在球表面不同部位,气流的速度有着差异性。与以往世界杯的比赛用球相比,2014年世界杯使用的“Brazuca”足球有着一个可预测度更好的飞行轨迹,尤其是在较高飞行速度时。
(编辑:李琳)