分析“三一”：2026年世界杯用球背后的科学原理

足球是每届世界杯的标志性元素。它之于足球，就如同艺术家的画笔或音乐家的乐器，是为最优秀的球员量身打造，旨在让球员们尽情发挥，并吸引现场观众和场外观众的目光。 “每个足球都独一无二，”安迪·哈兰德说道。他是英国拉夫堡大学的教授，自2002年世界杯以来，他一直负责测试阿迪达斯为各大赛事准备的足球。“根本不存在完美的飞行轨迹。这完全取决于个人感受。” 哈兰德与《The Athletic》进行了近一个小时的视频通话，探讨了一个根本性的问题：世界杯用球背后的科学原理是什么？ 阿迪达斯表示，Trionda足球的研发历时三年半，进行了约300次实验室测试。它内置芯片，可以辅助半自动判罚越位，并确定最后触球者。和所有现代足球一样，它的外层是聚氨酯，内层是多种材料（主要成分是聚酯纤维）混合而成，内胆就位于内层之中——也就是充气的部分。 值得注意的是，Trionda 足球仅由四块面板组成，这些面板通过热粘合工艺连接在一起。这是世界杯历史上面板数量最少的足球，比2022年世界杯使用的版本少了五倍。 去年五月，《The Athletic》带着一些足球前往拉夫堡进行测试，期间我们采访了伊万·菲利普斯。 他是拉夫堡大学的研究员，也是哈兰德的同事，他负责对2022年卡塔尔世界杯用球进行研究。菲利普斯有一辆装满30个不同年代足球的大推车，他分析了这些足球，以了解它们之间的差异。 “阿迪达斯2004年的Roteiro是第一款从手工缝制过渡到热粘合工艺的足球，”他说。 “基本上采用了相同的面板设计。它有一个内衬，也就是围绕内胆的编织层，面板通过热粘合的方式固定在其上，这样就无需缝合，因为它们是一体粘合的。” 哈兰德解释了为什么足球的设计面板数量会减少，但他同时强调，他和菲利普斯只是负责测试足球——足球是由阿迪达斯生产的。 “一般来说，面板数量越少，组装成本就越低，”他说。所有面板形状和组件都需要一种叫做“模具”的东西，因此，更多、更不同的部件需要更多的材料。 “更简单的生产和组装意味着更高的可靠性，所以这方面会有优势。现在每个足球都大同小异。这不像以前手工制作足球时那样，球之间的差异很大。” 哈兰德将今年的比赛用球与1970年墨西哥世界杯的用球进行了对比。1970年，阿迪达斯首次为世界杯定制了专属用球。这款标志性的“Telstar”设计采用皮革材质，制作耗时数小时。 “在当时，我们拥有可能是世界上最先进的32片手工缝制足球，用于顶级赛事，”哈兰德说道。其中12片为黑色五边形，以便电视观众能够清晰地看到球的旋转。“香槟色的球身和彩色图案……直到现在，我还会遇到一些人，他们说这是他们最喜欢的足球，”他补充道。 那么，半个世纪以来发生了哪些变化呢？哈兰德解释说，材料和制造工艺的进步带来了“更低的成本、更快的制造速度和更高的质量控制”。由于球片是定制设计的，因此拥有更大的创作自由，这也解释了为什么四年前的20片球变成了今年的4片球。 哈兰德说：“这项赛事的特殊之处在于，比赛既有在海平面进行的，也有在高海拔地区进行的，这意味着情况会更加复杂。” 海拔最高的体育场是位于墨西哥的阿兹特克体育场，海拔2200米（7218英尺），这不仅给球员的生理状态带来了挑战，也带来了空气动力学方面的挑战。在高海拔地区，球的飞行轨迹往往更直，弧线更小。 这一点在2010年南非世界杯上得到了充分体现，当时的“普天同庆”（Jabulani）足球因其不稳定且难以预测的飞行轨迹而成为媒体关注的焦点——以至于维基百科上专门有一个页面来讨论对它的批评。 同年，奥地利研究人员进行的模拟测试预测，“普天同庆”足球和高海拔环境的结合可能会对射门和直接任意球产生“重大影响”。根据他们的模型，在德班（海平面）以相同速度、角度和轨迹踢出的任意球，如果落点相同，那么在其他九个海拔更高的南非体育场中，有六个体育场的任意球将无法入网。 “Jabulani是第一款在球面上设计凹槽的足球，”哈兰德解释道。“如果你比较一下当时设计的凹槽数量和尺寸，再看看现在的足球，那么无论好坏，我们最终决定让足球的表面更加粗糙。” Jabulani的光滑表面被认为是其飞行轨迹不稳定的原因。“重新讨论Jabulani毫无意义，”哈兰德说道，但他补充说，“你需要一定程度的粗糙度——也就是公众通常所说的接缝。” 他解释说，将粗糙度等同于阻力过于简单化，粗糙度的作用在于确保足球的飞行轨迹更加稳定和可预测。 “球速不同，阻力也会大相径庭，”他补充道，通常低速时阻力更大。 这些原理可以从数学角度解释射门下坠的现象：球一被踢出就开始减速，起初速度较慢，但​​当其从平滑流动状态过渡到粗糙流动状态时，阻力增大，减速速度也会加快。“这不一定是下坠，只是速度减慢，重力的影响更加明显。” 不过，不必担心未来几周在墨西哥会出现类似“普天同庆”（Jabulani）的进球。阿迪达斯在去年十月发布的新闻稿中表示，他们在球上增加了“特意加深的缝线”和“精心设计的压纹线”，以确保阻力“充足且分布均匀”，从而保证球的飞行稳定性。设计师索莱娜·斯托尔曼和汉内斯·舍夫克告诉VERSUS，他们在本届赛事16个主办城市中的7个城市测试了这款足球，以检验其多功能性。 “这款足球没有任何安全隐患，”哈兰德说道。他“几年前”第一次见到这款球时，它还是一个纯白色的球，这通常是他们收到原型球时的典型状态。它的性能如何呢？“它的性能并不极端。它既不是最快的，也不是最慢的。它是一款融合了各个方面经验的球，”他说道，并补充说，在测试之后，最终版本可能还做了一些细微的改动。 在德国总部，阿迪达斯复制了拉夫堡大学在2006年研发的踢球机器人，因此该大学目前的大部分工作都在风洞中进行。 “我们有一套固定的测试流程，”哈兰德说道。 “我们会研究所有流速的变化。我们称之为‘扫频’，从低速到高速，有时也会从高速到低速进行扫频。我们还会进行偏航扫频。这意味着我们会将球放置在不同的流向方向上，以确保没有任何特定的方向会造成不平衡，我们还会进行一些旋转测试来观察侧向力。” 所有这些数据都会被计算、绘制成图表并发送给阿迪达斯。哈兰德解释说，他们测试的内容可能包罗万象：“现象、概念，有时甚至是想法、问题、假设，其特点是（有人会说），‘我们目前没有办法测量这个。我们认为这可能是球的某种特性，或者是我们想要控制的因素。’” 他们还会进行一些机械测试，这些测试程序是他们几十年来自主开发的。“现在大部分测试都在阿迪达斯进行，”哈兰德说。 其中一些方法与国际足联于1996年推出的足球质量计划类似。该计划包含八个步骤，根据八项标准分析足球，包括周长、吸水率、回弹高度、形状和尺寸保持率以及球形度（圆度的测量指标）。这些标准设有上下限。只要足球的各项指标都在上下限之间，就可以进行设计。 “我敢说，如果第一个生产的足球是完美的球形且表面光滑，那这项运动就会变成一场闹剧，根本不可能流行起来，”哈兰德笑着说。“正是因为足球在空中自然而然地呈现出可预测的运动轨迹——有点像高尔夫球从光滑到凹坑的演变。” 哈兰德唯一无法给出确切答案的是，他和同事们在拉夫堡大学究竟测试了多少个足球。但这已经是他们参与设计的第七个男足世界杯用球了。 “我知道我的技术同事给我施加了相当大的压力，他几乎下了最后通牒，让我把储藏室里的球都清理干净，”他半开玩笑半认真地说。“因为我们测试过的很多球都是独一无二的原型，有些球具有独特的价值，我们已经设法把它们收起来了。但是，这些东西的处置问题就摆在那里——它们不能直接扔进生活垃圾桶。” 他估计球的型号有数百种，而球的总数则有数千种。 “因为我们同时至少有一个，通常是两个足球研究项目在进行。” “我们在这方面相当擅长，因为我们已经做了很长时间了。我们很有信心，如果阿迪达斯或其他品牌想给我们提供一个样品球，我们就能把它与其他比赛用球进行比较——大概只要你给我们一个样品球就行了，对吧？”如果您想确保万无一失，那就给我们两个，我们会确认它们是否相同。