關(guān)于足球弧線球運動軌跡的研究

郝成紅 黃耀清 王 歡 陸升陽 段俊生

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院理學(xué)院,上海 201418)

關(guān)于足球弧線球運動軌跡的研究

郝成紅 黃耀清 王 歡 陸升陽 段俊生

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院理學(xué)院,上海 201418)

本文研究了足球弧線球運動的動力學(xué)方程，考慮馬格努斯效應(yīng)及相關(guān)參數(shù)的影響，得到了足球弧線球運動的軌跡曲線，為指導(dǎo)有關(guān)球類訓(xùn)練提供理論依據(jù)和參考.

弧線球；馬格努斯效應(yīng)；軌跡

現(xiàn)行大學(xué)物理教材在討論斜拋運動時大多以質(zhì)點為研究對象，很少涉及旋轉(zhuǎn)物體的斜拋運動.實際上旋轉(zhuǎn)拋體的運動是很常見的現(xiàn)象，尤其在球類運動項目中，球體在空中運動時，其自身往往伴隨著旋轉(zhuǎn),例如：足球，乒乓球，籃球以及網(wǎng)球等.而球體自身的旋轉(zhuǎn)必然影響到其運動的軌跡，也就是說，這種情況下，需要考慮馬格努斯效應(yīng).當(dāng)一個圓柱體繞自身軸線旋轉(zhuǎn)并且有流體在垂直于該軸線方向流過時，它會受到一個垂直于流動方向的橫向力，力的方向總是從來流方向與圓柱面上線速度相反的那一邊指向相同的那一邊，這種現(xiàn)象稱為馬格努斯(Magnus)效應(yīng)，文獻[1]寫為馬格納斯效應(yīng).

實際上馬格努斯效應(yīng)并不局限于旋轉(zhuǎn)的圓柱體，足球比賽中的所謂“香蕉球”、乒乓球比賽中的弧圈球及削球技術(shù)中都有馬格努斯效應(yīng)的明顯作用[2].文獻[3]～[7]討論了“香蕉球”現(xiàn)象，但是大多僅局限于定性的討論，而缺少定量的研究，并未給出嚴(yán)格的數(shù)學(xué)結(jié)果.本文將各類曲線運動的球體統(tǒng)稱為弧線球，從動力學(xué)方程出發(fā)，研究弧線球的運動規(guī)律和軌跡.

1 動力學(xué)方程的解析解

如圖1所示,我們以足球為例，設(shè)足球的質(zhì)量為m，旋轉(zhuǎn)角速度為ω，球體在旋轉(zhuǎn)中運動時，由于馬格努斯效應(yīng)，除了受到重力作用之外，還要受到馬格努斯力F[8,9]的作用，

F=μ(ω×)

(1)

圖1 馬格努斯力

式(1)中，μ是與流體(空氣)的性質(zhì)及物體幾何形狀、大小相關(guān)的常量.F的方向垂直于ω和所構(gòu)成的平面，并滿足矢量積的右手關(guān)系.建立圖1所示的Oxyz三維直角坐標(biāo)系，使球體旋轉(zhuǎn)軸與z軸平行.Oxy面即為球場平面，z軸豎直向上.球體的初速度為0,0與Oxy面之間的夾角為α，0在Oxy面上的投影(大小為v0cosθ)與x軸的夾角為β.在理想狀態(tài)下，即不考慮空氣阻力時，則球體的動力學(xué)方程為

由式(2)得

(5)

將式(5)代入式(3),得

(6)

寫成如下形式

(7)

此方程的解為

vx=vmcos(ω0t+φ)

(8)

得到

所以有

vx=v0cosαcos(ω0t+φ)

(13)

將式(8)代入式(5)得

vy=v0cosα·sin(ω0t+φ)

(14)

由式(4)得

vz=v0sinα-gt

(15)

式(13)、式(14)和式(15)對時間積分，可以得到坐標(biāo)x,y和z與時間t的函數(shù)關(guān)系為

則球體的運動學(xué)方程為

r(t)=x(t)i+y(t)j+z(t)k

(19)

2 理論計算結(jié)果分析

對于式(16)、(17)和(18)來說，雖然原則上可以消去時間參量得到x(t)、y(t)和z(t)所滿足的函數(shù)關(guān)系，但是對于結(jié)果分析并不方便.我們通過對上述3式的具體分析即可得到預(yù)期的結(jié)果.假設(shè)足球入射點在y軸上，由z(t)給出時間t，由x坐標(biāo)的限定即可得到y(tǒng)值，或由既定的y值得到初速度或旋轉(zhuǎn)角速度.

1) 由式(16)、(17)可以得到

(20)

2) 設(shè)y軸上G點是足球射門的入球點，令z(t)=0，根據(jù)式(18)可得t1=0(初始時刻對應(yīng)x=0，y1=0),及

(21)

這個時間就是足球落地的時間，也就是入射球門左(或右)邊底角的時間，在t2時刻仍取x=0,則y2為

(22)

3) 若考慮足球入射到球門的左(或右)上遠角時，則需要取z=h(球門高度)，代入式(18)，得到方程

(23)

此方程的解為

(24)

由此可見這一組解要求

(25)

也就是對初速度v0的最小值有一個限定.

4) 當(dāng)式(25)取等號時，則

(26)

表1 射門距離和旋轉(zhuǎn)角速度

6) 利用MATLAB軟件可以做出三維立體軌跡如圖2，圖3和圖4所示.

圖2 α和β 均取固定參數(shù)

圖3 α取不同值

圖4 β取不同值

其中圖2的參數(shù)為：m=0.42kg,μ=0.02,ω=20π/s,v0=25m·s-1,α=π/10,β=π/32.

圖3是保持β不變，α取不同值得到的一組曲線.

圖4是保持α不變，β取不同值得到的一組曲線.

7) 當(dāng)ω=0時，我們將式(16)和式(17)取ω→0的極限，則有

其中,vx0=v0cosα·cosβ；vy0=v0cosα·sinβ；vz0=v0sinα.

我們就得到了質(zhì)點的斜拋運動的運動學(xué)方程.

旋轉(zhuǎn)物體的斜拋運動與質(zhì)點的斜拋運動的區(qū)別在于前者的運動軌跡是三維曲線，而后者則實際是二維的平面運動，如圖5所示.

圖5 α=π/4，β=π/4

3 結(jié)語

本文在三維直角坐標(biāo)系中研究了弧線球運動的軌跡；得到了數(shù)學(xué)上的嚴(yán)格解析解，即給出了三維坐標(biāo)與時間變量的函數(shù)關(guān)系.雖然是以足球為例得到的結(jié)果，但對于相關(guān)球類來說其結(jié)果具有普遍意義.可以為相關(guān)球類的技術(shù)訓(xùn)練提供理論根據(jù)和計算方法；也為進一步深入研究提供基礎(chǔ)性的結(jié)果.

[1] 趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程·力學(xué)[M].2版.北京：高等教育出版社，2015：231.

[2] 漆安慎，杜嬋英.普通物理學(xué)教程·力學(xué)[M].北京：高等教育出版社,1997:374.

[3] 葛隆祺.弧線球運動規(guī)律的探討[J].大學(xué)物理,1991(7):26-28.

[4] 王偉，劉欣.淺談“香蕉球”的力學(xué)原理[J].體育文獻科技通報,2008,6(3):43.

[5] 趙進寶.球類運動中的流體力學(xué)問題[J].力學(xué)與實踐,1988,10(6):33.

[6] 劉大為.球體飛行軌跡異常的探討[J].大學(xué)物理,1987(1):43.

[7] 葛隆祺,葉衛(wèi)軍.足球旋轉(zhuǎn)球的運動規(guī)律[J].物理通報,1999(2)：7-8.

[8] http://farside.ph.utexas.edu/teaching/329/lectures/node43.html[9] http://www.nennstiel-ruprecht.de/bullfly/magnusf.htm#header

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STUDY ON MOTION LOCUS OF BANANA KICK

Hao Chenghong Huang Yaoqing Wang Huan Lu Shengyang Duan Junsheng

(School of Science, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418)

Considering the Magnus effect and relating parameter, kinetics equation of banana kick in football game is solved and motion locus of banana kick is given in this paper. It can provide theoretical foundation and reference for some kinds of ball trainings.

banana kick; Magnus effect; locus

2015-11-13；

2016-02-04

郝成紅，男，上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院理學(xué)院副教授，從事大學(xué)物理教學(xué)及研究工作.

黃耀清，女，上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院理學(xué)院教授.huangyaoqingsit@126.com

郝成紅，黃耀清，王歡，等. 關(guān)于足球弧線球運動軌跡的研究[J]. 物理與工程，2016，26(5)：79-81，84.