分析“三一”：2026年世界盃用球背後的科學原理

足球是每屆世界盃的標誌性元素。它之於足球，就如同藝術家的畫筆或音樂家的樂器，是為最優秀的球員量身打造，旨在讓球員們盡情發揮，並吸引現場觀眾和場外觀眾的目光。 “每個足球都獨一無二，”安迪·哈蘭德說道。他是英國拉夫堡大學的教授，自2002年世界盃以來，他一直負責測試阿迪達斯為各大賽事準備的足球。“根本不存在完美的飛行軌跡。這完全取決於個人感受。” 哈蘭德與《The Athletic》進行了近一個小時的視頻通話，探討了一個根本性的問題：世界盃用球背後的科學原理是什麼？ 阿迪達斯表示，Trionda足球的研發歷時三年半，進行了約300次實驗室測試。它內置芯片，可以輔助半自動判罰越位，並確定最後觸球者。和所有現代足球一樣，它的外層是聚氨酯，內層是多種材料（主要成分是聚酯纖維）混合而成，內膽就位於內層之中——也就是充氣的部分。 值得注意的是，Trionda 足球僅由四塊面板組成，這些面板通過熱粘合工藝連接在一起。這是世界盃歷史上面板數量最少的足球，比2022年世界盃使用的版本少了五倍。 去年五月，《The Athletic》帶著一些足球前往拉夫堡進行測試，期間我們採訪了伊萬·菲利普斯。 他是拉夫堡大學的研究員，也是哈蘭德的同事，他負責對2022年卡塔爾世界盃用球進行研究。菲利普斯有一輛裝滿30個不同年代足球的大推車，他分析了這些足球，以瞭解它們之間的差異。 “阿迪達斯2004年的Roteiro是第一款從手工縫製過渡到熱粘合工藝的足球，”他說。 “基本上採用了相同的面板設計。它有一個內襯，也就是圍繞內膽的編織層，面板通過熱粘合的方式固定在其上，這樣就無需縫合，因為它們是一體粘合的。” 哈蘭德解釋了為什麼足球的設計面板數量會減少，但他同時強調，他和菲利普斯只是負責測試足球——足球是由阿迪達斯生產的。 “一般來說，面板數量越少，組裝成本就越低，”他說。所有面板形狀和組件都需要一種叫做“模具”的東西，因此，更多、更不同的部件需要更多的材料。 “更簡單的生產和組裝意味著更高的可靠性，所以這方面會有優勢。現在每個足球都大同小異。這不像以前手工製作足球時那樣，球之間的差異很大。” 哈蘭德將今年的比賽用球與1970年墨西哥世界盃的用球進行了對比。1970年，阿迪達斯首次為世界盃定製了專屬用球。這款標誌性的“Telstar”設計採用皮革材質，製作耗時數小時。 “在當時，我們擁有可能是世界上最先進的32片手工縫製足球，用於頂級賽事，”哈蘭德說道。其中12片為黑色五邊形，以便電視觀眾能夠清晰地看到球的旋轉。“香檳色的球身和彩色圖案……直到現在，我還會遇到一些人，他們說這是他們最喜歡的足球，”他補充道。 那麼，半個世紀以來發生了哪些變化呢？哈蘭德解釋說，材料和製造工藝的進步帶來了“更低的成本、更快的製造速度和更高的質量控制”。由於球片是定製設計的，因此擁有更大的創作自由，這也解釋了為什麼四年前的20片球變成了今年的4片球。 哈蘭德說：“這項賽事的特殊之處在於，比賽既有在海平面進行的，也有在高海拔地區進行的，這意味著情況會更加複雜。” 海拔最高的體育場是位於墨西哥的阿茲特克體育場，海拔2200米（7218英尺），這不僅給球員的生理狀態帶來了挑戰，也帶來了空氣動力學方面的挑戰。在高海拔地區，球的飛行軌跡往往更直，弧線更小。 這一點在2010年南非世界盃上得到了充分體現，當時的“普天同慶”（Jabulani）足球因其不穩定且難以預測的飛行軌跡而成為媒體關注的焦點——以至於維基百科上專門有一個頁面來討論對它的批評。 同年，奧地利研究人員進行的模擬測試預測，“普天同慶”足球和高海拔環境的結合可能會對射門和直接任意球產生“重大影響”。根據他們的模型，在德班（海平面）以相同速度、角度和軌跡踢出的任意球，如果落點相同，那麼在其他九個海拔更高的南非體育場中，有六個體育場的任意球將無法入網。 “Jabulani是第一款在球面上設計凹槽的足球，”哈蘭德解釋道。“如果你比較一下當時設計的凹槽數量和尺寸，再看看現在的足球，那麼無論好壞，我們最終決定讓足球的表面更加粗糙。” Jabulani的光滑表面被認為是其飛行軌跡不穩定的原因。“重新討論Jabulani毫無意義，”哈蘭德說道，但他補充說，“你需要一定程度的粗糙度——也就是公眾通常所說的接縫。” 他解釋說，將粗糙度等同於阻力過於簡單化，粗糙度的作用在於確保足球的飛行軌跡更加穩定和可預測。 “球速不同，阻力也會大相徑庭，”他補充道，通常低速時阻力更大。 這些原理可以從數學角度解釋射門下墜的現象：球一被踢出就開始減速，起初速度較慢，但​​當其從平滑流動狀態過渡到粗糙流動狀態時，阻力增大，減速速度也會加快。“這不一定是下墜，只是速度減慢，重力的影響更加明顯。” 不過，不必擔心未來幾周在墨西哥會出現類似“普天同慶”（Jabulani）的進球。阿迪達斯在去年十月發佈的新聞稿中表示，他們在球上增加了“特意加深的縫線”和“精心設計的壓紋線”，以確保阻力“充足且分佈均勻”，從而保證球的飛行穩定性。設計師索萊娜·斯托爾曼和漢內斯·舍夫克告訴VERSUS，他們在本屆賽事16個主辦城市中的7個城市測試了這款足球，以檢驗其多功能性。 “這款足球沒有任何安全隱患，”哈蘭德說道。他“幾年前”第一次見到這款球時，它還是一個純白色的球，這通常是他們收到原型球時的典型狀態。它的性能如何呢？“它的性能並不極端。它既不是最快的，也不是最慢的。它是一款融合了各個方面經驗的球，”他說道，並補充說，在測試之後，最終版本可能還做了一些細微的改動。 在德國總部，阿迪達斯複製了拉夫堡大學在2006年研發的踢球機器人，因此該大學目前的大部分工作都在風洞中進行。 “我們有一套固定的測試流程，”哈蘭德說道。 “我們會研究所有流速的變化。我們稱之為‘掃頻’，從低速到高速，有時也會從高速到低速進行掃頻。我們還會進行偏航掃頻。這意味著我們會將球放置在不同的流向方向上，以確保沒有任何特定的方向會造成不平衡，我們還會進行一些旋轉測試來觀察側向力。” 所有這些數據都會被計算、繪製成圖表併發送給阿迪達斯。哈蘭德解釋說，他們測試的內容可能包羅萬象：“現象、概念，有時甚至是想法、問題、假設，其特點是（有人會說），‘我們目前沒有辦法測量這個。我們認為這可能是球的某種特性，或者是我們想要控制的因素。’” 他們還會進行一些機械測試，這些測試程序是他們幾十年來自主開發的。“現在大部分測試都在阿迪達斯進行，”哈蘭德說。 其中一些方法與國際足聯於1996年推出的足球質量計劃類似。該計劃包含八個步驟，根據八項標準分析足球，包括周長、吸水率、回彈高度、形狀和尺寸保持率以及球形度（圓度的測量指標）。這些標準設有上下限。只要足球的各項指標都在上下限之間，就可以進行設計。 “我敢說，如果第一個生產的足球是完美的球形且表面光滑，那這項運動就會變成一場鬧劇，根本不可能流行起來，”哈蘭德笑著說。“正是因為足球在空中自然而然地呈現出可預測的運動軌跡——有點像高爾夫球從光滑到凹坑的演變。” 哈蘭德唯一無法給出確切答案的是，他和同事們在拉夫堡大學究竟測試了多少個足球。但這已經是他們參與設計的第七個男足世界盃用球了。 “我知道我的技術同事給我施加了相當大的壓力，他幾乎下了最後通牒，讓我把儲藏室裡的球都清理乾淨，”他半開玩笑半認真地說。“因為我們測試過的很多球都是獨一無二的原型，有些球具有獨特的價值，我們已經設法把它們收起來了。但是，這些東西的處置問題就擺在那裡——它們不能直接扔進生活垃圾桶。” 他估計球的型號有數百種，而球的總數則有數千種。 “因為我們同時至少有一個，通常是兩個足球研究項目在進行。” “我們在這方面相當擅長，因為我們已經做了很長時間了。我們很有信心，如果阿迪達斯或其他品牌想給我們提供一個樣品球，我們就能把它與其他比賽用球進行比較——大概只要你給我們一個樣品球就行了，對吧？”如果您想確保萬無一失，那就給我們兩個，我們會確認它們是否相同。