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盘点不同球类运动，谁是“球中之王”？******

　　近日，在世界杯比赛中

　　葡萄牙队3比2险胜加纳队

　　下半场，C罗通过点球

　　帮助葡萄牙队取得领先

　　图源：FIFA

　　被判点球后C罗亲吻足球

　　他闭上双眼，深呼吸

　　然后助跑、果断起脚

　　皮球势大力沉直窜对方球门

　　图源：新华社

　　C罗也成为历史首位

　　连续五届世界杯取得进球的球员

　　大家观看比赛时有没有想过

　　在如此多的球类运动中

　　足球的球速是最快吗？

　　哪种球飞得最远？

　　球速之“王”竟然是它？

　　所有球类运动无非是用手、脚、球棒或球拍击打球，球的尺寸、形状和重量差异使得它们具有不同的速度以及运动轨迹。

　　那么问题来了，在这些球类运动中，速度最快的是哪种球？是令人热血沸腾的足球，是挥汗如雨的网球，还是快得看不清轨迹的乒乓球？

　　图源：摄图网

　　答案其实是外形最不像球的羽毛球。

　　目前吉尼斯官方认可的最快的羽毛球记录来自丹麦选手科丁，2017年1月10日，在印度羽毛球超级联赛上，科丁在正式比赛中杀出一记速度高达426 公里/小时（约118 m/s）的杀球。这意味着什么？这个记录中羽毛球的最高速度，比“复兴号”动车组列车最高运行时速（400公里/小时）还要快。

　　图源：Physics of ball sports各种球类运动的最高运动速度

　　羽毛球为什么能飞得那么快？原因其实并不复杂，主要是因为羽毛球比较轻（重量只有5克），并且球拍足够长（不超过680mm）。

　　图源：Annu. Rev. Fluid Mech 各种球的尺寸、重量及速度等基本参数

　　球体在空中的运动往往只受到空气阻力和重力的作用，它的速度一般只会逐渐减小（篮球等例外）。想要获得最快的运动速度，球体需要在离开运动员接触的瞬间获得最大的加速度。相对于网球、足球和其它球体，羽毛球非常轻，因此同等大小的力在它身上则会产生更大的加速度。

　　图源：Physics of ball sports 高尔夫球和羽毛球的挥拍动作

　　最能“飞”的球——高尔夫球

　　高尔夫球是飞得最远的球，单次击球可以移动200米以上，标准高尔夫球场，一般布置18个球洞，总长度要控制在6002～6400米，球场面积50～75公顷（1公顷=10000平方米），实际大小要根据球场的地形来确定。

　　不仅如此，高尔夫还走出了地球，成为了首个星际间的球类运动项目。1971年2月6日，执行阿波罗14号任务的宇航员艾伦·谢帕德（Alan Shepard）挥动球杆在月球上打起了高尔夫球，从而使他成为有史以来第一位，也是目前唯一一位在月亮上打过高尔夫球的人。

　　图源：NASA 正在月球打高尔夫球的宇航员艾伦

　　高尔夫球有一个让人大跌眼镜的现象：越是光滑的高尔夫球，越是飞不远。

　　我们都认为，球形是最完美的形体，表面越是光滑，则在飞行的过程中，球面与大气的摩擦就越少，同等用力的情况下，理应飞得越远。但是，高尔夫球不是这样。

　　图源：《高尔夫50年》高尔夫球的变迁

　　毛根海教授所著《奇妙的流体运动科学》一书中，有这么一个数据：同等条件下，布满小酒窝的高尔夫球，它在飞行中所受到的阻力只有光滑球的一半，而飞行距离是光滑球的5倍。物体在流体中运动时，前后压力差所带来的阻力就叫做“形状阻力”。现代核潜艇使用“水滴型”外形就是为了减少形状阻力。

　　图源：科普中国

　　如上图，顶部的垂直竖版，其形体阻力最大，原因是其后方的“低压区”面积最大，第二个球体的低压区有所减少，直至底部的水滴型，其形状阻力最小。通过流体力学实验，人们发现，光滑的与布满小酒窝的球相比，后者产生的低压区面积更少。球上的无数小酒窝，它可以起到让空气紧贴球面的作用，这使得平滑的气流能顺着球体表面延伸到更靠后的位置时才产生分离。

　　图片来自航空航天工程师Jeffrey A. Scott

　　最受欢迎的球类运动——足球

　　无论是从影响力、参与人数还是赛事热度来看，足球都是当之无愧的世界第一运动。不过今天既然讲到球速和形体阻力的问题，那么我们也一起来看看足球缝线对足球轨迹的影响。

　　图源：百度百科

　　普天同庆足球是2010年南非世界杯决赛阶段设计的新款足球，也是最近几届世界杯中，最饱受批评的一个足球。在它还刚刚面世时，生产厂家就宣传说：这个球只用了8块表皮就将足球拼接完成，完美地包住了内胆，这是史上最圆的足球。

　　然而，这颗球却是守门员的“噩梦”。空气动力学家梅塔博士提出，“粗糙度的大小，决定了出现‘蝴蝶球效应’的最佳临界速度是多少。”

　　蝴蝶球轨迹蝴蝶球指的是球在空中飞行时几乎没有旋转，从而导致它的飞行轨迹不可预测，守门员很难判断。蝴蝶球的原理是球表面上有缝线，在飞行过程中，气流经过缝线时，会产生更多湍流，由于左右不对称，湍流增加了球侧面的偏转力。尾流左右摇摆，飞行飘忽不定，如飞舞蝴蝶。

　　图源：中国科普博览常规足球通常将32块球面通过缝线拼合而成，缝线的总长度以及缝线的深度决定了足球的光滑度，缝线越多越粗糙。常规足球一般在48公里每小时球速时才会产生最大化的“蝴蝶球效应”。

　　而普天同庆足球，由于其总缝线长度很短，导致其成为当时最光滑的足球，经过空气动力学试验，人们发现，在80～88公里每小时球速时，普天同庆才会产生最大化的蝴蝶球效应，而80公里左右时速恰恰是射门，以及任意球的典型球速。

　　END

　　资料来源：央视科教、科普中国、中国科普博览、知乎

　　整理：董小娴

影响航母和舰载机发展的因素有哪些？******

　　航母问世已有百余年的历史，二者可以说是一种剑不离鞘、鞘不离剑的关系，既相互依存，又相互促进，成就了当今海上霸主的地位。现在，有10个国家装备22艘航母。在这些航母中，美国和法国装备核动力常规起降航母，其他国家的航母属于滑跃起飞航母，装有滑跃起飞甲板。美法两国的航母和舰载机基本是交替迭代发展的，其他国家基本是根据可获得的舰载机发展航母的。

图为：歼-15舰载机在航母上降落

　　纵观国外航母和舰载机的发展历史，影响航母和舰载机的发展主要因素有这样几个：第一、军事需求；第二，对舰载机及其作战使用的认识，或者说赋予舰载机的使命任务；第三是国家的造船工业能力；第四，国家财力支持的力度。受这些因素的影响，各国航母呈现出大小之分和起降方式的差异。下面我们看美国、苏联、英国战后航母和舰载机的发展。

　　所谓军事需求，首先是国家军事战略需求，要不要发展航母，其次是未来准备打什么仗，潜在作战对手的装备情况等。我们再来看对舰载机及其使用的认识，以美国和苏联为例（俄罗斯几十年来没有发展航母和舰载机，所以这里主要讲的是苏联时期的发展情况），美国海军认为舰载机具备多种作战能力，可重复使用，使用成本相对较低；无论是反舰、空战，还是对陆攻击任务，舰载机都可以承担，经过两次世界大战的洗礼和战后的多场战争的考验，赋予舰载机的作战任务越来越多，因此，舰载机的能力也随之越来越强。

　　而苏联海军则认为，在海战中，反舰导弹比舰载机反应速度更快，使用导弹可以更快地摧毁敌方舰艇，所以在航母上装备了远程反舰导弹，这在航母史上也可称得上独树一帜。因此，苏联海军的舰载机主要用于攻势防空，舰上虽然也配备了苏-24战术轰炸机，但它大概也是在反舰导弹实施第一轮攻击后，补刀用的。在守势防空方面，苏联海军也比较注重导弹的作用，在舰上装备了4座6单元SA-N-9防空导弹垂直发射装置，备弹192枚。

　　因为专注发展核潜艇和导弹，对舰载机没有强烈的军事需求，所以苏联海军也没有在舰载机的研发方面投入很大的精力和财力。苏联早期曾投资研制过雅克垂直短距起降的舰载机，但最终没有结果。因为欠账太多，在苏-27战斗机退役后，只能改装当年在竞争中败给苏-27的米格-29战斗机，以解燃眉之急。

　　我们再看英国，英国原是航母大国，二战结束时，英国还曾保有15艘攻击型航母和36艘护航航母、1300多架舰载机。英国还是第一个喷气式飞机上舰的国家，截至50年代，先后发展了“毒液”“弯刀”等5型固定翼舰载战斗机和1型舰载反潜机。后来，因国防战略的调整，受“导弹制胜论”的影响，开始削减航母，不再发展舰载机。20世纪70年代，英国海军利用“鹞”式飞机，发展了滑跃起飞的轻型航母，同时也为中小国家发展航母开辟了新途径。意大利、西班牙、泰国等国的航母都采取了这种发展模式。

　　国家工业基础的重要性不言而喻，其实目前能够建造、维持大型航母的国家也没有几个。另一方面，虽然建造船体相对简单，但维持舰载机在舰上正常运转、执行作战任务并不容易，需要庞大、复杂的各种系统，以及设备的支持。有人用综合国力来形容航母的发展是非常恰当的。财力支持也是非常重要的因素，现在航母的建造费用越来越高，美国福特级航母的造价已高达140亿美元，一艘航母服役四五十年，这期间每隔几年还要进行维修、大修，全寿期费用高达数百亿美元，如果再加上两代舰载机的采购费、维修保养费等，总费用还要翻倍，所以一般国家根本没有力量研制舰载机和建造、维持航母。

　　作者简介：侯建军，原海军装备研究院某研究所总工程师、研究员，他长期致力于外国海军装备发展研究，著述30余部，获国家科技进步二等奖1项,、军队科技进步二等奖3项，被评为国防科技信息事业50周年优秀工作者。

　　出品：科普中国军事科技前沿

　　作者：侯建军

　　策划：金赫

　　监制：光明网科普事业部

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）