香蕉球上的力学知识

香蕉球上的力学知识

----如何提出高质量的香蕉球？

【课题研究目的：】

把所学的物理知识应用到足球运动中，使所学的知识与实践结合起来，增加我们对物理的兴趣。

【课题确立的依据（背景）与现状分析】

我们对足球运动很感兴趣，所以进行深入研究，加深对足球运动的理解，加深对力学运动的认识，研究力学在足球运动中的应用。

【研究方案设计】

在某些较多空闲的时候，聚集在一起讨论答辩、观察、实践，初定一些结论。或在家通过网上信息查询查阅有关资料，再电话讨论以及聚集一起商定。

课题研究的价值和对学生的好处

足球在足球场上的运动状态几乎每时每刻都受到运动员的控制,这里面有很多的力学原理相当深奥,怎么踢，用脚的什么部位踢，效果如何。这就在极为简单的层面上将力和足球运动联系到了一起，力不但可以改变物体运动状态,而且还可能控制物体怎样改变运动状态.学生凭着自己的直觉和猜想,对看到的和听到的广泛发表了意见,这不但是一种实实在在的交流,同时也体现了学生信息的收集和交流能力..关于草坪的摩擦力是增大还是减少(和水泥操场相比),实际做一做,这也增强了学生的实践能力。总的来说，研究性活动首先让学生学会观察记录,其次是让学生在探究活动中,在实践活动中了解自己,学会评价自己.学生的主动参与,积极探究,合作交流

(一)“香蕉球”的浅讨

如果你经常观看足球比赛的话，一定见过罚前场直接任意球。这时候，通常是防守方五六个球员在球门前组成一道“人墙”，挡住进球路线。进攻方的主罚队员，起脚一记劲射，球绕过了“人墙”，眼看要偏离球门飞出，却又沿弧线拐过弯来直入球门，让守门员措手不及，眼睁睁地看着球进了大门。这就是颇为神奇的“香蕉球”。

图一足球在没有旋转 图二足球只有旋转而 图三「香蕉波」-足球水平运动 下水平运动的情形(在 没有水平运动的情形 和旋转两种运动同时存在的 此图中球正在向前运动)

让我们先看看附图，图中的线代表的是空气流动的情形。图一代表足球在没有旋转下水平运动的情形，当足球向前运动，空气就相对于足球向后运动。图二代表足球只有旋转而没有水平运动的情形，当足球转动时，四周的空气会被足球带动，形成旋风式的流动。图三代表水平运动和旋转两种运动同时存在的情形，也即是「香蕉波」的情形。

我们知道当球在空中飞行时，若不但使它向前，而且使它不断旋转，由于空气具有一定的粘带性，因此当球转动时，空气就与球面发生摩擦，旋转着的球就带动周围的空气层一起转动。若球是沿水平方向向前运动，同时绕垂直纸面的轴做顺时针方向转动，则空气流相对于球来说除了向后流动外，还被球旋转带动的四周空气环流层随之在顺时针方向转动。这样在球右方的空气速度除了向后的平动外还有转动，两者方向一致；而在球的左方，平动速度（向后）与转动速度（向前）方向相反，因此其合速度大于球右方空气的合速度。根据流体力学的伯努利定理，在速度较大一侧的压强比速度较小一侧的压强为小，所以球右方的压强小于球左方的压强。球所受空气压力的合力左右不等，总合力向右。结果足球一面向前走，一面承受一个把它推向右的力，造成了弯曲球。原来我们在日常生活中也经常应用这个原理使物体在流体中的运动方向改变，例如飞机和帆船的运作都是基于这个原理。

(二)“香蕉球”的深讨

在研究香蕉球的录象时发现，通过慢镜头可以看到，足球在往前飞行的过程中，自身还在快速旋转，而其他直线飞行的足球，没有看到强烈的旋转。难道这旋转就是香蕉球的神秘力量所在？我们带着这个问题做了两个小实验。

一、平行的放两张纸，向它们中间吹气，

会把两张纸吹开吗？

二、把一个乒乓球放在倒置的漏斗中间，

向漏斗口吹气，会把乒乓球吹跑吗？

实验的结果是纸没有被吹开，反而靠拢了，乒乓球没有被吹掉，反而贴在漏斗上。这是为什么呢？这两个实验与香蕉球又有什么联系呢？

我们通过上网搜集资料和阅读有关材料后知道，这个现象和物理学中的一个重要分支--流体力学中的空气动力学有关。下面是香蕉球的空气动力学原理。

这个现象与空气的流动有关，在进行研究时采用简单的物理模型，这就是理想流体的定常流动。（在物理学中通常把液体和气体统称为流体。）液体不容易被压缩，在不很精确的研究中可以认为液体不可压缩。气体容易压缩，但在研究气体流动时，如果气体的密度没有显著变化可以把气体作为不可压缩处理。当流体流动时，速度不同的各层流体间有摩擦力，也就是流体具有粘滞性，一般油类的粘滞性较大，水、酒精的粘滞性较小，气体的粘滞性更小。在粗略的研究中我们可以认为气体没有粘滞性。不可压缩的、没有粘滞性的流体称为理想流体。

如果流体质点经过空间各点的流速虽然不同，但空间每一点的流速不随时间而改变，这样的流动叫做定常流动。象自来水管中的水流，石油管道中的石油流动，都可以看作定常流动。

球类比赛中的旋转球，具有很大的威力。旋转球和不转球的飞行轨迹不同，是因为球周围空气流动情况不同造成的。不转球的上方和下方流线对称，流速相同，上下不产生压强差。现在考虑球的旋转，转动轴通过球心且垂直于纸面，球逆时针旋转。球旋转时会带动周围的空气跟着它一起旋转，致使球的下方空气的流速增大，上方的流速减小。球的下方流速大，压强小，上方流速小，压强大。跟不转球相比，旋转球因为旋转而受到向下的力，飞行轨迹要向下弯曲。右图表示乒乓球的上旋球，转动轴垂直于球飞行的方向且与台面平行，球向图示方向旋转。左图表示的就是上旋球周围空气的流线。在相同的条件下，上旋球比不转球的飞行弧线要低。下旋球正好相反，球向图示反方向旋转，受到向上的力，比不转球的飞行弧线要高。

所以从上面的理论分析可以知道，要踢出香蕉球必须满足两个条件：第一个就是要使球旋转，第二个就是要使球前进。为了满足这两个条件，在踢球时，必须使脚和球要有剧烈的侧向摩擦，才能使球有高速的旋转，从而打出高质量的香蕉球。