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【轉(zhuǎn)載】世界杯的“上帝之手”：當(dāng)足球遭遇海拔
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原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2010/6/233802.shtm 那些以高海拔為優(yōu)勢，或已經(jīng)習(xí)慣從低地轉(zhuǎn)至高海拔的球隊(duì)，將會受益，這表明南美隊(duì)的勝算機(jī)會大  世界杯來了，這讓舉辦國南非成為目前全球球迷們最為關(guān)注的地方。在圍繞世界杯展開的大量話題中，海拔高度是一個(gè)頗有科技含量的足球話題。 南非世界杯是24年來首次在明顯高于海平面的比賽地點(diǎn)所舉辦的比賽。其最主要的場館是約翰內(nèi)斯堡的足球城，海拔高度是1701米，雖然這還不如安第斯山脈高，但也已經(jīng)到了會產(chǎn)生高山反應(yīng)的高度。其他6個(gè)比賽地點(diǎn)也處在高原地帶。那么，這對比賽會有影響嗎？ 高原“公案” 我們先來看一段“公案”。 2007年2月，巴西弗拉明戈（Flamengo）足球隊(duì)正在玻利維亞進(jìn)行一場南美杯比賽，對手是來自高海拔安第斯山地的皇家普托斯（Real Potosi），而球場位置幾乎設(shè)在海拔4000米，并且趕上滂沱大雨，弗拉明戈開始時(shí)以0：2落后，他們的很多隊(duì)員都需要瓶裝氧氣來減輕高原反應(yīng)。盡管最后他們終于扳回到2：2平局，弗拉明戈隊(duì)在賽后聲明，他們將不會再在這樣高的海拔比賽。 圍繞足球的“高原爭議”就此開始。之后，弗拉明戈隊(duì)的案例被巴西足協(xié)接受，他們到國際足聯(lián)（FIFA）抱怨說，足球比賽地點(diǎn)不適合選在高海拔的安第斯山上。2007年5月，國際足聯(lián)出臺規(guī)定：“為了運(yùn)動(dòng)員的健康起見”，國際比賽不能再到超過2500米的地方舉辦。 巴西人笑了，但這不意味著最后的勝利，他們沒有料到玻利維亞、厄瓜多爾和哥倫比亞的反擊。這幾個(gè)國家也向國際足聯(lián)投訴，說這將阻止國際比賽在他們國家的體育場舉辦。國際足聯(lián)對此的反應(yīng)是取消禁令，等待進(jìn)一步的研究結(jié)果。 緊隨南美爭端發(fā)生之后，2007年10月，國際足聯(lián)邀請了一些醫(yī)學(xué)界大腕在其老家瑞士蘇黎世開了一個(gè)會，討論海拔高度對足球比賽影響的問題。與會代表很快確定，目前很少有在高海拔足球比賽的對照研究，所以他們不得不從其他包括賽跑、滑冰和登山等運(yùn)動(dòng)的研究中做出推論。 他們調(diào)查的第一個(gè)問題就是體能。結(jié)論是在海拔500米之下沒有影響，超過500米，會出現(xiàn)諸如心律加快、呼吸困難和體力下降等不利影響；隨著海拔的升高，影響會變得更為明顯和嚴(yán)重，不過一些人會比其他人反應(yīng)重。到達(dá)海拔2000米，就會出現(xiàn)高山病的問題，這時(shí)候適應(yīng)是至關(guān)重要的。3000米以上對身體性能有實(shí)質(zhì)性影響。 高海拔的生理影響主要是由于空氣中氧含量減少，進(jìn)而限制了血液中氧水平而造成的。其導(dǎo)致的個(gè)體體能下降可用一個(gè)數(shù)值來測量，這個(gè)值叫做最大攝氧量，是指（人體）攝取氧氣的最大比例，以每公斤每分鐘多少升計(jì)。 對耐力運(yùn)動(dòng)員的研究表明，海拔超過300米，每上升1000米最大攝氧量下降約6%，而衰竭之前的時(shí)間大約是在每1000米最大耗氧量下降14%左右。 盡量減少這種體能下降的標(biāo)準(zhǔn)方法是用幾天的時(shí)間來適應(yīng)環(huán)境。國際足聯(lián)小組建議，運(yùn)動(dòng)員用幾天時(shí)間呆在一個(gè)海拔高度，不過用這種辦法不可能完全恢復(fù)在海平面的身體素質(zhì)水平，因?yàn)榫退闶巧钤诤０?600米的玻利維亞足球運(yùn)動(dòng)員，其最大耗氧量也要比生活在海平面的足球運(yùn)動(dòng)員低大約12%。 所以，人們對海拔的生理影響會不會扭轉(zhuǎn)世界杯比賽結(jié)果呢？可能不一定。因?yàn)闆]有一處比賽場館設(shè)在海拔2000米之上，而32個(gè)球隊(duì)中的絕大多數(shù)在比賽期間都會住在當(dāng)?shù)馗吆０蔚貐^(qū)。那些不住高原的隊(duì)肯定會用壓力室（altitude chambers）來備戰(zhàn)。 球的飛行 不過，這里也存在一個(gè)變數(shù)，一些與會研究人員指出，有報(bào)告說，適應(yīng)了高海拔的運(yùn)動(dòng)員在突然回到海平面時(shí)，體能會下降。這種作用可能會使得他們下到海平面與另一個(gè)適應(yīng)海平面的球隊(duì)比賽時(shí)，處于相應(yīng)的劣勢。當(dāng)一個(gè)隊(duì)在高原贏得四分之一決賽，而另一個(gè)隊(duì)是在海平面贏得比賽時(shí)，兩隊(duì)之間的半決賽將在海平面進(jìn)行，這就可能影響到比賽后期。 受影響的不僅僅是體能，國際足聯(lián)小組還得出結(jié)論，認(rèn)為高海拔可能會改變球的空氣動(dòng)力學(xué)，在某種程度上運(yùn)動(dòng)員可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題。 這里的關(guān)鍵是大氣密度降低會影響球在空氣中的運(yùn)動(dòng)速度并會使旋轉(zhuǎn)球轉(zhuǎn)向。海拔每增加1000米，就會使氣壓相應(yīng)降低，并因此使空氣密度減少大約11%。在其他條件相同的情況下，約翰內(nèi)斯堡的氣壓大致是開普敦的81%。 溫度也會造成影響，氣溫每增加10°C，空氣密度便下降3%，所以，開普敦一個(gè)寒冷的冬季夜晚（7°C）與約翰內(nèi)斯堡溫暖的冬季午后（11°C），二者的空氣密度差異會超過20%。而像這樣的差異很可能出現(xiàn)在世界杯期間。 這種差異需要在實(shí)踐中觀察。設(shè)想一下，運(yùn)動(dòng)員在罰球區(qū)外距球門18米處起腳射門，足球直奔球門左上角。如果是在海平面，這一記射門會使球以每秒22.8米的平均速度飛行，并在0.817秒后穿過球門線。 那么，在高海拔地區(qū)又是怎樣一種情況呢？因?yàn)樽枇εc空氣密度成比例，所以，同樣一記射門，在海拔1700米會比在海平面速度更快，會在0.801秒后到達(dá)門線，大約比在海平面時(shí)前移了兩個(gè)球直徑的長度。這就使得球下落時(shí)間更少，從而使之擊中門楣。 這樣的結(jié)果，是球員必須適應(yīng)球的飛行，要讓球落在門楣之下，他們必須學(xué)會要將目標(biāo)瞄準(zhǔn)得略低于正常水平，將球的起飛角度降低約半度。 防守球員同樣需要適應(yīng)。已經(jīng)習(xí)慣了海平面足球運(yùn)動(dòng)軌跡的守門員需要比正常情況的反應(yīng)更快，要不然他就會看到球飛過其伸出的手指進(jìn)入網(wǎng)中。 現(xiàn)在想想，一個(gè)與上面同樣位置的弧線球在門前排成一排的防守隊(duì)員人墻附近突然轉(zhuǎn)向，該球用的是側(cè)旋，其產(chǎn)生的力叫做馬格納斯力（Magnus force），這正是球的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生轉(zhuǎn)向的原因。 在海平面時(shí)，射門的球速是每秒20米，球大概是在1.114秒后在人墻的右手末端轉(zhuǎn)向，然后折回進(jìn)入球門左上角。而在約翰內(nèi)斯堡，完全相同的一記勁射要么飛過門楣，要么就打在人墻上。因?yàn)檩^低的空氣密度既降低了阻力也減小了球的自旋效應(yīng)。 隨著球員對高海拔的適應(yīng)，他們將學(xué)會將擊球位置略微下移，并應(yīng)用更多的旋轉(zhuǎn)讓球繞過人墻進(jìn)入球門上角。這一記射門比其相應(yīng)的海平面射門提前0.03秒（或2個(gè)球的直徑）跨過球門線，假如守門員的反應(yīng)與在海平面一樣的話，這個(gè)球就會在他有可能接到之前已經(jīng)進(jìn)到門內(nèi)了。 那么迄今為止，從理論上講，是不是有證據(jù)表明高海拔對足球比賽結(jié)果有實(shí)際影響呢？牛津大學(xué)的工程師帕特里克調(diào)查了1900年到2004年之間在南美進(jìn)行的1460場比賽。結(jié)果他發(fā)現(xiàn)不是海拔本身，而是高度變化的問題。在考慮了技術(shù)上的差別之后，高原球隊(duì)在自己的家鄉(xiāng)與來自海平面的球隊(duì)比賽，獲勝可能性增加，然而，當(dāng)高海拔地區(qū)的球隊(duì)來到海平面位置的球場比賽時(shí)，則不大可能獲勝。 戰(zhàn)術(shù)變換 這可能既有生理上、又有空氣動(dòng)力學(xué)的原因。戰(zhàn)術(shù)也可能發(fā)揮了一定作用，即球隊(duì)通過改變踢球方式來彌補(bǔ)足球運(yùn)行的變化。為了將這一假說運(yùn)用在試驗(yàn)中，研究人員分析了墨西哥為贏得2010年世界杯資格所進(jìn)行的8場比賽的數(shù)據(jù)，包括4場在墨西哥國內(nèi)阿茲臺克體育場的比賽，這個(gè)場館海拔2288米。根據(jù)英國足球成績分析家Prozone提供的數(shù)據(jù)，在高原地區(qū)，罰球區(qū)外的射門數(shù)增加，而罰球區(qū)內(nèi)射門數(shù)減少。這就是說，在高海拔地區(qū)，可能要訓(xùn)練球員的遠(yuǎn)射能力，這樣，才能充分利用足球更直更快的飛行軌跡。 類似的戰(zhàn)術(shù)計(jì)算可能也會在南非上演。想想看，有一場在約翰內(nèi)斯堡的比賽，判了直接任意球，要從距離球門18米外直接射門，當(dāng)防守隊(duì)組成4個(gè)人的人墻時(shí)，進(jìn)攻隊(duì)隊(duì)長與兩名主罰任意球的隊(duì)員討論選誰踢球，這兩個(gè)人一個(gè)是以射門的狠和直而聞名，另一個(gè)則是繞過人墻的弧線球射門專家，那么，隊(duì)長會選誰呢？ 按照物理學(xué)原理，應(yīng)選弧線射門球員：如果門將還沒有完全適應(yīng)球的飛行軌跡，那么弧線射門將會贏得較多的時(shí)間優(yōu)勢。唯一的問題是這需要超級準(zhǔn)確，因?yàn)樵诟咴貐^(qū)，弧線射門的誤差相當(dāng)小。 值得一提的是1986年的墨西哥世界杯，這是上一次高度成為問題的比賽。最后冠軍阿根廷的所有比賽都是在2000米之上進(jìn)行的。而其他的所有領(lǐng)先球隊(duì)都不得不在不同的海拔高度比賽，那么，是不是這一因素讓阿根廷隊(duì)獲益了呢？如果是這樣的話，今年就不會發(fā)生這樣的情況，獲勝的隊(duì)將從高原回到海平面，然后再次回到高海拔。 所以，世界杯的關(guān)鍵問題是參賽各隊(duì)需要考慮環(huán)境適應(yīng)性和戰(zhàn)術(shù)上的變換。球員需要適應(yīng)高原的變化，特別是高海拔對于足球飛行的影響。那些以高海拔為優(yōu)勢，或已經(jīng)習(xí)慣從低地轉(zhuǎn)至高海拔的球隊(duì)，將會受益，這表明南美隊(duì)的勝算機(jī)會大。（編譯自《新科學(xué)家》） |
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