足球运动中的物理原理

张建辉

(广东北江实验学校 广东韶关 512000)

足球运动中的物理原理

张建辉

(广东北江实验学校 广东韶关 512000)

该文在介绍足球运动基本知识的基础上,详细地探讨物理知识在足球运动中的体现。包括足球体育场的南北方向设置,30°左右的角度投掷界外球,落叶球和电梯球的产生,守门员接球部位,球员被铲后身体前倾以及受伤治疗所使用的喷雾剂。希望在培养学生足球兴趣的同时让他们了解基本的物理知识,激发学习热情,更好地提高成绩。

足球 物理 原理

随着对足球运动不断深入的研究,人们发现了大量的物理知识解释了光的反射导致球的黑白色,守门员扑救点球概率小因为反应时间短,足球弧线球的产生由于气体的流速和压强关系,受力改变足球的运动状态以及由于场地限制,为保证比赛的流畅和精彩规定足球比赛一方为11人;运用动量定理解释了球的运动方向和速度,动量守恒定律证明了对方发任意球时,人墙队员用手护着胸部和其他要害部分以及不用头去阻止足球运动的重要性,最后用伯努利方程解释了弧线球的形成机理。该文在总结相关文献和资料的基础上,对足球运动中的其他物理知识进行了探讨,希望可以在解释足球场上各种“怪异”现象的同时,为提高足球技术和成绩提供了理论依据。

1 球场的南北方向设置

图1 图弧线球周围空气流线分布

国际足联规定足球比赛场地必须是长方形,长度90～120 m,宽度45～90 m,球门高2.44 m,宽7.32 m,不同赛事由不同具体要求,国内基层比赛的场地可因地制宜,不管在任何情况下,边线的长度必须要长于球门线的长度,球场内的各个区域的面积不可以变更。球场地面必须平坦并且硬度要合适,以影响球的正常运行和不伤害运动员为基本原则,正式比赛需使用人工草皮。场地标记包括一下几个方面。

（1）比赛场地是用线来标明的,这些线作为场内各个区域的边界线应包含在各个区域之内。

（2）两条较长的边界线叫边线,两条较短的线叫球门线;

（3）所有线的宽度不超过12 cm(5英寸)。

（4）比赛场地被中线划分为两个半场。

（5）在场地中线的中点处做一个中心标记,以距中心标记9.15 m(10码)为半径画一个圆圈。球场区域包括禁区、角球区、球门区、小禁区、中圈、点球点等基本项目。国际足联要求运动场地方向主要依据于地球公转和自转的科学原理。中午12时以前,太阳光线从体育场自东向西照射,中午12点以后,光线从体育场自西向东照射,对于自北向南或自南向北跑动的运动员来说都是“侧光”,从而避免了阳光直射运动员的眼睛。在比赛过程中,就会发现有很多守门员会戴帽子比赛,这是由于即使体育场是正南北方向,在日照强烈时,也会出现被阳光刺眼的情况,不过这比正东西方向已经好很多了。

图2 C罗的电梯球

图3 皮尔洛电梯球

2 投掷界外球

足球比赛中,当球的整体从地面或空中越过边线时,即为球出界而成死球,应由出界前最后触球队员的对方队员,在球出界处掷向场内任何方向。随着足球比赛激烈程度和进攻手段的增加,投掷界外球逐渐成为一种简单粗暴的助攻方式,因此，尽可能地将球掷得远成为球员的共同目标。

据《物理学世界》报道,英国布鲁内尔大学物理学家的最新研究认为,最适当地抛掷角度应该是30。,远小于此前物理学家估计的45。。球员在掷界外球时,决定最终距离的因素主要有两个：一是将球掷出时的初速度,另一个就是掷球角度。按照基本物理学定律,在一个抛射模型中,以45。角抛掷物体,可以使其飞行得最远,不过这一模型是基于抛射时的速度不依赖于抛射角度这一假设。新的研究发现,为了掷球时运动员臂部及背部肌肉更利于水平方向的力作用于足球,许多球员都选择以30。左右的角度掷球。研究中,研究人员首先让2名球员以各种角度掷球,并将他们的掷球过程录下来,再用电脑软件对比每次掷球时的速度和角度,最终得出30。角是最理想的抛掷角度。考虑到每个运动员的臂长、肌肉强度等都不一样,理想角度对于每个运动员来说会有所差异,但最终范围应该在25。～30。之间。

在实际比赛中,我们还会观察到球员在抛掷界外球时除了合理选择角度会先助跑一定距离,在这个过程中,球员将助跑的动能转化为足球的动能,这也是使足球掷的更远的一种方法。

3 落叶球和电梯球

(1)在现代足球比赛中,任意球常常成为攻破对方球门最简单有效的方式,其中弧线任意球(香蕉球)最为常见,以贝克汉姆为代表的任意球大师常常为我们带来叹为观止的绝佳表现。

球员在主罚弧线任意球时不是把脚踢中球的中心点,而是稍微偏向一侧,与此同时用脚背摩擦足球,让足球在空中前进的同时还在不断地旋转。这时,一方面空气迎着球向后流动,另一方面由于空气与球之间的摩擦,球周围的空气又会被带着一起旋转(如图1所示)。这样,球一侧空气的流动速度加快,而另一侧空气的流动速度减慢。物理知识伯努利方程告诉我们:气体的流速越大,压强越小。由于足球两侧空气的流动速度不一样,它们对足球所产生的压强也不一样,于是足球在空气压力的作用下,被迫向空气流速大的一侧转弯了。

(2)随着足球技术的不断发展,任意球的形式也不断地更新,最具代表的是巴西球星。

(3)还有一种叹为观止的任意球是电梯球,它是落叶球的一种,代表人为有葡萄牙球星C罗,意大利球星皮尔洛,电梯球的提法根据不同人有所不同,但共同特点都是直上直下的感觉,让门将触不及防（见图2、图3）。

4 结论

该文介绍了足球运动中常见现象的物理机理,得到如下结论。

(1)国际足联考虑地球自转和公转,避免球员受阳关的影响,足球场南北方向设置。

(2)球员为了掷球时运动员臂部及背部肌肉更利于水平方向的力作用于足球,选择以30。左右的角度掷球。

(3)根据气流速度和压强关系以及足球受力特点解释弧线任意球、落叶球、电梯球的形成方式。

(4)为了缓冲足球的冲击力,守门员一般用手去挡球,球员被拌之后由于惯性会向前倾以及利用足球医用喷雾剂的汽化原理缓解疼痛。

[1]徐文琦.北京体育大学体育教育专业足球课教学环境研究分析[D].北京体育大学，2009.

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[4]杨军,沈益明.关于高校物力资源配置及促进资源高效使用研究[J].科技创新导报，2012(36)：251-252.

[5]孙辉.物理知识在球类运动中的运用研究[J].中国校外教育中旬刊,2012,6（17）：125.

Physical Principle Insoccer

Zhang Jianhui
（Guangdong Beijiang Experimental School， Shaoguan Guangdong， 512000， China）

The physical knowledge in football is discusses detailedly based on the introduction of the basic knowledge of football, including the north and south direction of the football stadium, throw-in by the angle which is about 30 degrees, the appearance of lift ball and falling ball, the position of the keeper to catch the ball, players lean forward after been shoveled and the spray for treatment. It is hoped that students' interest in football can be cultivated so that they could understand the basic physics knowledge, meanwhile, their learning enthusiasm can be stimulated and their performance can be improved.

Football; Physics；Principle

G8

A

2095-2813(2017)01(a)-0244-01

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.01.244