足球弧线物理原理?
以下文字节选自我的科普书《我的第一本物理学漫画》中关于“足球”的部分 “射门!”当守门员脱手时,就是最佳时机了——球员把球踢出一道圆弧,直冲大门。 那为什么要把球踢成弧形呢? 因为地球引力作用着。我们站在地球上,会感到地面在往下“拉”自己。如果将一个物体以一定的速度扔出去(比如用手投向篮框),这个物体就会一直往下掉下去。这是由于物体被地球引力所吸引。但是如果没有空气阻力的话,物体下落的速度会越来越快。
假设一个质量为1kg的物体从20m高空掉落下来,它的速度每秒增加9.8 m/s;4秒钟后,这个物体的速度达到36.4m/s,也就是接近音速的80%左右。可见没有空气阻挡的话下落的物体将会很快。 但是因为存在空气阻力,所以下落的物体不是匀速下降的。对于空气密度比较大、比较干燥的空气来说,受到空气阻力的影响最大,因此一般人的降落伞都是在这样的环境中使用的。
那么如果把物体投到空中,它最终的速度到底是增还是减了呢?答案是两者皆有——先上升再下降。这是因为在空中存在着一种叫做气流的气体流场,这种流场的方向取决于投掷的方向和角度。例如,当我们用右手掌朝右边平伸出来并且向上扬起的时候,气流就会往右边流动。在这种情况下,用右手臂抛球的话,就会产生向右上方的弧形轨迹。这就是足球等球类运动的弧线飞行方式的理论基础之一。
此外还有一种理论认为,高速飞行的球与空气会产生摩擦,而空气又对球起到减速的作用(就像滑冰的人脚与冰产生摩擦,从而失去平衡一样)。所以为了维持球的飞行速度,它会自动地改变飞行方向或者加速来抵消减速的影响。当然,这还需要考虑其它一些因素如风力等因素也会影响球的飞行路线;而且不同质量的球也有不同的运行轨迹。不过总体上来说,只要掌握了这两种方法中的任意一种就能解释大部分的足球弧线现象了。