以下文章經許可轉載自 The Conversation，這是一個報道最新研究的線上出版物。
與每屆世界盃一樣，在2022 年卡達 FIFA 世界盃上，球員們將使用一款新球。 競爭者最不希望看到的是，在這項世界上最受歡迎的運動中最重要賽事中，最重要的裝備表現出乎意料，因此，為了確保每個新的世界盃用球都能給球員帶來熟悉感，需要做大量的工作。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。 透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
我是一名物理學教授，在林奇堡大學研究體育運動的物理學。 儘管圍繞今年世界盃存在腐敗和人權問題爭議，但足球的科學和技巧仍然具有魅力。 作為我研究的一部分，每四年我都會對新的世界盃用球進行分析，看看創造這項世界上最美妙的運動的核心要素都投入了什麼。
阻力物理學
在射門、任意球和長傳之間，足球比賽的許多重要時刻都發生在球在空中時。 因此，足球最重要的特性之一是它在空氣中的運動方式。
當球在空氣中移動時，一層主要靜止的薄空氣層（稱為邊界層）會包圍球的一部分。 在低速下，這個邊界層只會覆蓋球的前半部分，然後流動的空氣會從表面剝離。 在這種情況下，球后方的空氣尾跡有些規則，稱為層流。
但是，當球快速移動時，邊界層會包裹住球的更遠區域。 當氣流最終從球的表面分離時，它會以一系列混亂的漩渦形式進行。 這個過程稱為湍流。
當計算移動空氣對移動物體產生的力（稱為阻力）時，物理學家使用一個稱為阻力系數的術語。 對於給定的速度，阻力系數越高，物體感受到的阻力就越大。
事實證明，足球的阻力系數，層流大約是湍流的 2.5 倍。 雖然這看起來可能違反直覺，但使球的表面粗糙會延遲邊界層的分離，並使球在湍流中保持更長時間。 物理學的這個事實——較粗糙的球感受到的阻力較小——是高爾夫球上的凹坑比光滑的球飛得更遠的原因。
在製造一個好的足球時，氣流從湍流過渡到層流的速度至關重要。 這是因為當發生這種過渡時，球開始急劇減速。 如果層流以過高的速度開始，則球開始減速的速度比保持湍流更長時間的球快得多。
世界盃用球的演變
自 1970 年以來，阿迪達斯一直為世界盃提供用球。 到 2002 年，每個球都採用標誌性的 32 片結構製成。 20 個六邊形和 12 個五邊形面板傳統上由皮革製成並縫合在一起。
一個新的時代始於 2006 年德國世界盃。 2006 年的用球名為 Teamgesit，由 14 個光滑的合成面板組成，這些面板熱粘合在一起，而不是縫合。 更緊密的粘合密封在雨天和潮溼天氣中阻止了水進入球的內部。
用新材料、新技術和更少的面板製造球，改變了球在空氣中的飛行方式。 在過去的三屆世界盃中，阿迪達斯試圖平衡面板數量、接縫特性和表面紋理，以創造具有恰到好處的空氣動力學的球。
2010 年南非世界盃的八片 Jabulani 球具有紋理面板，以彌補較短的接縫和較少的面板數量。 儘管阿迪達斯做出了努力，但 Jabulani 仍然是一個有爭議的球，許多球員抱怨它會突然減速。 當我和我的同事在風洞中分析球時，我們發現Jabulani 整體過於光滑，因此與 2006 年的 Teamgesit 球相比，阻力系數更高。
2014 年巴西世界盃的 Brazuca 和 2018 年俄羅斯世界盃的 Telstar 18 用球都有六個形狀奇特的面板。 雖然它們的表面紋理略有不同，但它們總體上具有相同的表面粗糙度，因此具有相似的空氣動力學特性。 球員們普遍喜歡 Brazuca 和 Telstar 18，但有些人抱怨 Telstar 18 容易爆裂。
2022 年的 Al Rihla 球
新的卡達世界盃足球是 Al Rihla。
Al Rihla 採用水性墨水和膠水製成，包含 20 個面板。 其中八個是邊長大致相等的小三角形，十二個較大，形狀有點像冰淇淋蛋筒。
Al Rihla 沒有像以前的球那樣使用凸起的紋理來增加表面粗糙度，而是覆蓋著類似酒窩的特徵，與之前的球相比，它的表面感覺相對光滑。
為了彌補光滑的手感，Al Rihla 的接縫更寬更深——也許是從接縫最淺最短的近期世界盃用球 Jabulani 的錯誤中吸取了教訓，許多球員認為 Jabulani 在空中速度很慢。
我在日本的同事在筑波大學的風洞中測試了最近四屆世界盃的用球。
當氣流從湍流過渡到層流時，阻力系數迅速上升。 當這種情況發生在飛行中的球上時，球會突然經歷阻力急劇增加並突然減速。
我們測試的大多數世界盃用球都在大約 36 英里/小時（58 公里/小時）的速度下發生了這種轉變。 正如預期的那樣，Jubalani 是一個異常值，過渡速度約為 51 英里/小時（82 公里/小時）。 考慮到大多數任意球的初始速度都超過 60 英里/小時（97 公里/小時），球員們覺得 Jabulani 速度慢且難以預測是有道理的。 Al Rihla 的空氣動力學特性與其之前的兩款產品非常相似，如果有什麼不同的話，它甚至可能在較低速度下移動得更快一些。
每一個新球都會遭到一些人的抱怨，但科學表明，Al Rihla 應該會讓今年世界盃的球員感到熟悉。
本文最初發表於 The Conversation。 閱讀原文。