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編者按：足球運動吸引了無數人的目光，而世界盃則是關注的焦點。自 1970 年以來，愛迪達一直為世界盃提供足球，其為 2022 年卡達世界盃設計的官方比賽用球為 Al Rihla。一位體育物理學家對世界盃的官方用球 Al Rihla 進行了分析。本文來自編譯，希望對您有所啟發。
和歷屆世界盃一樣，在 2022 年卡達世界盃中，球員們將使用一種新的足球。在這項世界上最受歡迎運動的最重要比賽中，沒有人希望在最重要的裝備上出錯，所以為了確保每一個新的世界盃用球都能為球員帶來熟悉感，有大量的工作要做。
我是林奇堡大學的物理學教授，主要研究運動物理學。儘管圍繞今年世界盃的腐敗和人權問題存在爭議，但足球的科學和技術仍有其美麗之處。作為我研究的一部分，每四年，我都會對新世界杯用球進行分析，看看是什麼造就了世界上最好看的比賽的核心。
1. 阻力的物理原理
在射門、任意球和長傳之間，足球比賽中的許多重要時刻都發生在球在空中的時候。所以足球最重要的特徵之一就是它在空氣中的運動方式。
當球在空氣中運動時，有一層薄薄的幾乎是靜止的空氣層，稱為邊界層（boundary layer），包圍著球的一部分。低速時，邊界層只覆蓋球的前半部分，然後流動的空氣就會從球的表面剝離。在這種情況下，球後的空氣尾流是有一定規律的，稱為層流（laminar flow）。
然而，當一個球快速移動時，邊界層圍繞球的距離會遠得多。當氣流最終與球的表面分離時，會形成一系列混亂的漩渦，這個過程被稱為湍流（turbulent flow）。
在計算移動的空氣施加在移動物體上的力（阻力）時，物理學家使用了一個叫做阻力係數（drag coefficient）的術語。對於給定的速度，阻力係數越高，物體感受到的阻力就越大。
結果表明，足球在層流中的阻力係數大約是湍流的 2.5 倍。雖然這可能聽起來有悖常理，但使球的表面粗糙化會延遲邊界層的分離，並使球在湍流中保持更長時間。這個物理學事實（表面粗糙的球受到的阻力更小）也是帶凹凸點的高爾夫球比光滑的球飛得更遠的原因。
要製作一個好的足球，氣流從湍流過渡到層流的速度是至關重要的。這是因為當這種轉變發生時，球的速度就開始急劇減慢。如果層流開始的速度過高，球開始減速的速度比保持湍流時間較長的球要快得多。
2. 世界盃用球的演變
自 1970 年以來，愛迪達一直為世界盃提供足球。到 2002 年，每個球都採用了標誌性的 32 面結構。傳統上，20 個六邊形和 12 個五邊形的面板是由皮革製成並縫合在一起的。
2006 年德國世界盃開啟了一個新時代。2006 年的足球被稱為 Teamgesit，由 14 塊光滑的合成面板組成，這些面板不是透過縫線結合在一起的，而是透過熱黏合組合在一起的。在雨天和潮濕的日子裡，這種更緊密的膠合密封能使水無法進入球的內部。
用新材料、新技術和更少的面板製作一個球，改變了球在空中飛行的方式。在過去的三屆世界盃上，愛迪達試圖平衡面板數量、接縫性能和表面紋理，以創造出更好的符合空氣動力學的足球。
2010 年南非世界盃上的八面板「Jabulani」球採用了有紋理的面板，以彌補較短的接縫和較少的面板數量。儘管愛迪達做出了努力，但 Jabulani 足球仍然是一款有爭議的球，許多球員抱怨它的減速很突然。當我和同事們在風洞裡分析這款球時，發現 Jabulani 足球整體上過於光滑，因此阻力係數比 2006 年世界盃的 Teamgesit 足球要高。
2014 年巴西世界盃的「Brazuca」和 2018 年俄羅斯世界盃的「Telstar 18」都有六個形狀怪異的面板。雖然它們的表面紋理略有不同，但總體表面粗糙度大致相同，因此，空氣動力學特性相似。球員們普遍喜歡 Brazuca 和 Telstar 18，但有些人抱怨 Telstar 18 容易彈出。
3. 2022 年的 Al Rihla 足球
卡達世界盃的新足球是 Al Rihla。
Al Rihla 由水性油墨和膠水製成，包含 20 個面板。其中 8 個是邊長大致相等的小三角形，12 個比較大，形狀有點像霜淇淋蛋筒。
Al Rihla 並沒有像以前的足球那樣使用凸起的紋理來增加表面粗糙度，而是在表面添加了小凹坑，與以前的球相比，它的表面相對光滑。
為了避免更光滑的感覺，Al Rihla 的接縫更寬更深，這也許是吸取了過度光滑的 Jabulani 球的教訓，Jabulani 普天同慶的接縫是近年來世界盃用球中最淺最短的，許多球員覺得它在空中的速度很慢。
我在日本的同事們在築波大學（University of Tsukuba）的風洞裡測試了最近的 4 個世界盃用球。
當氣流由湍流轉為層流時，阻力係數迅速上升。當這種情況發生在飛行中的球上時，球的阻力會突然急劇增加，並突然減速。
我們測試的大多數世界盃球都以大約 36 英里/小時（58公里/小時）的速度過渡。正如所料，Jabulani 是一個例外，它的過渡速度約為 51 英里/小時（82 公里/小時)。考慮到大多數任意球開始時的速度超過 60 英里/小時（97 公里/小時），球員們覺得 Jabulani 速度慢且難以預測是有道理的。Al Rihla 的空氣動力學特性與它之前的兩款球非常相似，如果說有什麼不同的話，那就是它甚至可以在較低速時移動得更快一點。
每一款新球都會遭到一些人的抱怨，但科學表明，今年世界盃上的球員應該對 Al Rihla 有一種熟悉感，並很快適應。
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