香蕉球背后的力学知识

在绿茵场上，经典的香蕉球破门场景，常常成为赛事视频中被反复播放的高光时刻。当运动员起脚劲射，足球如离弦之箭般朝着 “人墙” 飞去，就在众人以为它即将偏离球门飞出场外时，足球却如同被施了魔法一般，在空中划出一道优美的弧线，绕过 “人墙” 后急速拐弯，直窜球门死角。这一难以捉摸的射门轨迹方式，便是足球运动中大名鼎鼎的 “香蕉球” 。

中国科技馆二层的 “运动之律” 展区内，设有 “香蕉球” 和“马格努斯效应”展品。该展品通过多维度呈现方式，深入阐释香蕉球背后的科学原理，帮助观众深刻理解其中所涉及的力学知识。

当观众体验 “香蕉球”展品时，需要通过精准调整 “小足球”的旋转方向与出球角度，进而射出一记精妙的 “香蕉球”。这颗 “小足球” 能够巧妙地绕过球门前严阵以待的防守队员与守门员，径直命中球门，带来视觉与体验上的双重震撼。不过，想要成功射出这样精彩的 “香蕉球” 并实现破门得分，并非轻而易举之事。在这一过程中，观众需要不断地进行探索与尝试，在多次实践中逐渐掌握其中的规律，最终达成目标。

当观众参与到旁边的 “马格努斯效应”展品时，通过调整圆柱体的旋转方向与旋转速度，借助展品后方的显示器，能够直观地观察到气流在经过旋转圆柱体时的动态变化，以及圆柱体相应的倾斜方向。观众可通过这种直观的互动体验，深入探究其中所蕴含的科学规律，感受科学的魅力与奇妙。

那么，“香蕉球” 为什么会在飞行中拐弯呢？这要先从流体的粘滞性说起。足球在运动过程中，其表面会附着一层薄薄的空气。当 “香蕉球” 一边飞行一边转动时 ，会带动表面的空气一起旋转。此时，足球一侧转动的线速度和球的前进速度相加，使得迎面气流受到较大阻力；而另一侧自转的线速度和前进速度相减，这样足球两侧的气流速度就产生了差异。根据伯努利原理 “流速快的一侧压力小，流速慢的一侧压力大”，足球便受到一个侧向的力，也就是马格努斯力，这就导致了足球飞行轨迹的弯曲。

1852年，德国物理学家古斯塔夫·马格努斯在进行炮弹飞行实验时，发现飞行中的旋转炮弹相比不旋转炮弹会出现轨迹偏移现象。这种偏移并不是由于空气阻力等因素造成的，而是与炮弹的旋转密切相关。基于上述现象的观察，马格努斯提出假设，物体的旋转会使周围的空气流动状态发生变化，从而产生一个额外的横向力，导致物体的运动轨迹发生偏移。通过大量的实验和分析，马格努斯最终证实了他的假设，即旋转物体在空气中运动时会受到一个额外的横向力，这个力是由于物体旋转引起的周围空气流动状态改变而产生的。这一现象被命名为马格努斯效应，为后来的空气动力学研究奠定了基础。而 “香蕉球” 在空中拐弯，正是马格努斯效应在足球运动中的生动体现。

马格努斯效应的应用范围十分广泛，除了在球类运动中展现奇妙效果外，在航空航天航海领域也发挥着重要作用。在航空航天方面，会利用马格努斯效应来提高导弹在飞行过程中的机动性和准确性：通过使导弹产生旋转，利用马格努斯效应产生的横向力来调整导弹的飞行轨迹，从而更准确地命中目标。在航海领域，旋筒风帆船是一种利用马格努斯效应来推动船只前进的新型船舶，它通过在船上安装巨大的旋转圆柱体作为风帆，当圆柱体旋转时，利用马格努斯效应产生的横向力来推动船只前进。这种船舶具有节能环保、航行效率高等优点。可见，马格努斯效应在多个领域都有着不可忽视的价值，为科技发展和运动竞技带来了独特的助力。

（本栏目合作单位：中国科学技术馆）