高海拔 世界杯感受壓力

高海拔：世界杯感受壓力 鄧雪梅 /編譯 四年一屆的足球世界杯賽事再度令億萬(wàn)球迷為之如癡如醉。當(dāng)你欣賞球賽，為自己喜歡的球隊(duì)、球星鼓勁吶喊時(shí)，不一定會(huì)想到科學(xué)問(wèn)題。事實(shí)上，每一屆成功的世界杯賽都有科學(xué)的支撐。如本屆南非世界杯一個(gè)突出課題就是如何應(yīng)對(duì)高海拔的挑戰(zhàn)；此外，一系列與球員、裁判、教練、球迷有關(guān)的科學(xué)研究也有了結(jié)果。 編者 2007 年 2 月，巴西弗拉門(mén)戈足球隊(duì)在玻利維亞踢了一場(chǎng)美洲杯比賽，其對(duì)手皇家波托西隊(duì)的主場(chǎng)坐落于安第斯山脈，體育場(chǎng)海拔將近 4000 米。在瓢潑大雨中，弗拉門(mén)戈隊(duì)先以 0 比 2 落后，期間，許多球員需要吸氧來(lái)緩解高原反應(yīng)。雖然他們最終以 2 比 2 打平，但弗拉門(mén)戈隊(duì)宣布以后再也不會(huì)在高海拔地區(qū)比賽。 這由此也引發(fā)了足球的“高海拔爭(zhēng)議”。巴西足聯(lián)以弗拉門(mén)戈隊(duì)的案例向國(guó)際足聯(lián)申訴，安第斯山的高海拔地區(qū)不適宜舉行足球比賽。 2007 年 5 月國(guó)際足聯(lián)裁定，“為了球員的 健康”，國(guó)際比賽不得在海拔2500 米以上的地區(qū)舉行。 如果巴西足聯(lián)認(rèn)為這意味著勝利的話，他們沒(méi)有想到來(lái)自玻利維亞、厄瓜多爾和哥倫比亞的回?fù)?。后者向?guó)際足聯(lián)反訴，認(rèn)為這項(xiàng)裁定會(huì)讓他們的國(guó)家體育場(chǎng)館不再有資格進(jìn)行國(guó)際比賽。作為回應(yīng)，國(guó)際足聯(lián)取消了禁令，留待進(jìn)一步研究。 2010 年 6 月，海拔再次成為足球的一個(gè)議題。南非世界杯將是 24 年來(lái)首次在較高海拔場(chǎng)館舉行。主體育場(chǎng)約翰內(nèi)斯堡的足球城海拔 1701 米。雖不如安第斯山脈那么高，但也足夠讓人產(chǎn)生高原反應(yīng)。其他 6個(gè)場(chǎng)館也在高海拔處（見(jiàn)圖）。這會(huì)對(duì)比賽造成影響嗎 ? 高海拔 之爭(zhēng) 在意識(shí)到南美國(guó)家的爭(zhēng)論之后， 2007 年 10 月，國(guó)際足聯(lián)邀請(qǐng)頂尖科學(xué)家在其瑞士蘇黎世總部討論了高海拔對(duì)足球運(yùn)動(dòng)的已知影響。與會(huì)科學(xué)家們認(rèn)為，確定在海拔對(duì)足球影響這一領(lǐng)域很少有受控實(shí)驗(yàn)，他們只能從其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目諸如跑步、滑雪和登山等研究中得出推論。 首先在體能表現(xiàn)方面，他們得出的結(jié)論是：在 500 米以下沒(méi)有任何影響，在 500 米以上，負(fù)面影響會(huì)越來(lái)越顯著 例如心跳加速、呼吸不暢以及活力下降；而所在地海拔越高，情況會(huì)越嚴(yán)重 甚至有些人會(huì)比其他人受到的影響更大。在 2000 米處，高原反應(yīng)和水土不服就成了問(wèn)題，在 3000 米處，體能會(huì)受到實(shí)質(zhì)性的影響。 由海拔造成的生理反應(yīng)主要是空氣中的氧氣減少而引發(fā)的，造成了血液中氧氣含量的減少。由此引發(fā)的體能下降可以由最大攝氧量 每千克體重每分鐘的最大攝氧量 來(lái)衡量。對(duì)耐受力的研究表明，在300 米以上，海拔每上升 1000 米最大攝氧量降低約 6%；而當(dāng)運(yùn)動(dòng)員精疲力竭時(shí)，海拔每上升 1000 米降低約 14%。 海拔不僅僅會(huì)影響球員的體能 參加南非世界杯的球隊(duì)還要適應(yīng)可能改變足球飛行弧度的高原空氣動(dòng)力學(xué) 將體能降低值控制在最小的標(biāo)準(zhǔn)方法是幾天的當(dāng)?shù)剡m應(yīng)性訓(xùn)練。短短的幾天雖然不能恢復(fù) 到海平面時(shí)的水平，但國(guó)際足聯(lián)小組建議在高海拔地區(qū)呆上 3 5 天。即使是生活在海拔 3600 米處的玻利維亞足球運(yùn)動(dòng)員，他們的最大攝氧量也比海平面的球員低 12%左右。 那么，這些高原反應(yīng)會(huì)把南非世界杯的比賽結(jié)果搞得一塌糊涂嗎？應(yīng)該不會(huì)。這次比賽用的場(chǎng)館沒(méi)有一個(gè)建在海拔 2000 米以上的，而 32 支參賽球隊(duì)在比賽期間也大部分住在球場(chǎng)附近，包括運(yùn)動(dòng)員還會(huì)借助高海拔模擬室進(jìn)行預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練。 足球的飛行 然而，高海拔也是一面雙刃劍。一些與會(huì)的科學(xué)家注意到，有報(bào)道稱(chēng)適應(yīng)了高海拔環(huán)境的球員在陡降到海平面比賽時(shí)體能會(huì)下降，可能使得他 們?cè)谂c適應(yīng)了海平面環(huán)境的球隊(duì)比賽中處于劣勢(shì)。因?yàn)榘霙Q賽在海平面處舉行，而參賽的雙方分別是高海拔處和海平面處四分之一決賽的獲勝方，因此該效應(yīng)可能會(huì)影響到比賽。 大力神杯 體能并不是唯一受影響的。國(guó)際足聯(lián)小組還推測(cè)，高海拔可能會(huì)改變足球的空氣力學(xué)性質(zhì)，造成球員的發(fā)揮失常，其關(guān)鍵在于大氣的折合密度：它會(huì)影響球在空中運(yùn)行的速度以及弧度。海拔每上升 1000 米，大氣壓力（也就是空氣密度）會(huì)下降大約 11%（精確的公式要遠(yuǎn)比這復(fù)雜）。假設(shè)其他情況等同，約翰內(nèi)斯堡的大氣壓約是開(kāi)普敦的 81%。 吉祥物：扎庫(kù)米 溫度也是一大影響因素。空氣密度每降低 3%，溫度則會(huì)上升 10。假設(shè)開(kāi)普敦寒冷冬夜的溫度為 7，則約翰內(nèi)斯堡冬日下午的溫度會(huì)達(dá)到 10，高 20%。這樣的差異在世界杯期間極有可能出現(xiàn)。 為了直觀地表現(xiàn)這個(gè)差異，想象一個(gè)球在球門(mén)正前方 18 米外被踢出 在罰球區(qū)外 朝向球門(mén)的左上角飛去。假設(shè)在海平面處，球速為平均每秒 22.8 米，在 0.817 秒后會(huì)攻破球門(mén)。 在高海拔處情況又會(huì)怎樣？因?yàn)樽枇涂諝饷芏瘸烧龋?1700 米處的同樣一次射門(mén)，就比在海平面處的球速更快 0.801 秒后到達(dá)球門(mén)線（比在海平面時(shí)快 2 個(gè)足球直 徑），減少了球在空中的下降時(shí)間，最終直接撞到球門(mén)的橫梁上。結(jié)果是，球員必須掌握足球的飛行線路 為了讓球直接進(jìn)入網(wǎng)內(nèi)，起球時(shí)要比往常稍低一些，以降低球的飛行角度。 假設(shè)在同一位置射門(mén)，但要越過(guò)門(mén)前由防守球員排成的人墻，這就需要讓球側(cè)旋，由此產(chǎn)生的力 被稱(chēng)為馬格努斯力 會(huì)使球的軌跡彎曲。包括習(xí)慣于海平面球況的守門(mén)員需要比平常反應(yīng)更敏捷，否則就會(huì)看到球從張開(kāi)的五指間飛入網(wǎng)內(nèi)。 同樣在海平面處，同一位置的射門(mén)速度為每秒 20 米，當(dāng)繞過(guò)人墻右端折回后，在 1.114 秒飛入球門(mén)左上角。在約翰內(nèi)斯堡，由于低空氣密度既 降低了阻力，同時(shí)也降低了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，完全相同的射門(mén)既可能會(huì)高出球門(mén)也可能會(huì)撞上人墻。 而適應(yīng)以后，球員將用更大的旋轉(zhuǎn)和稍低的射門(mén)角度以使球越過(guò)人墻飛入球門(mén)上角。而球的飛行速度會(huì)比在海平面時(shí)快 0.03 秒（或超過(guò) 2 個(gè)足球直徑）。如果守門(mén)員此時(shí)作出海平面時(shí)的那般反應(yīng)，球會(huì)在被攔截之前進(jìn)入網(wǎng)內(nèi)。 戰(zhàn)術(shù)的改變 是否有證據(jù)顯示高海拔真的會(huì)影響足球比賽的結(jié)果？英國(guó)牛津大學(xué)工程師帕特里克麥克謝里（ Patrick McSharry）對(duì) 1900 年 2004 年間在南美舉行的 1460 場(chǎng)國(guó)際比賽進(jìn)行了調(diào)查分析。他的結(jié)論是：真正起作用 的并非是海拔自身而是海拔的改變。將技術(shù)差異等因素一并考慮后，高海拔球隊(duì)在與海平面球隊(duì)進(jìn)行主場(chǎng)比賽時(shí)有更多的勝算。反之，當(dāng)高海拔的球隊(duì)來(lái)到低海拔比賽時(shí)，他們勝率較低。 除了生理和空氣動(dòng)力學(xué)兩方面原因外，球隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)安排也舉足輕重 變換球隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)或許可以彌補(bǔ)足球飛行線路的變化。將這個(gè)假設(shè)放進(jìn)比賽中，研究人員分析了墨西哥隊(duì) 2010 世界杯預(yù)選賽的 8 場(chǎng)比賽數(shù)據(jù)，其中包括在海拔 2288 米的墨西哥城阿茲特克體育場(chǎng)的 4 場(chǎng)主場(chǎng)比賽。根據(jù)英國(guó)著名體育數(shù)據(jù)分析公司ProZone 提供的數(shù)據(jù)，在禁區(qū)外的射門(mén)次數(shù)會(huì)隨著海拔升高而增加， 而禁區(qū)內(nèi)的射門(mén)次數(shù)則會(huì)降低。這是否暗示著在高海拔處，球員會(huì)以增加遠(yuǎn)射的次數(shù)來(lái)借助足球平直快速的飛行路線破門(mén)。 類(lèi)似的戰(zhàn)術(shù)安排在南非會(huì)一顯身手。想象一下在約翰內(nèi)斯堡進(jìn)行的一場(chǎng)比賽，在球門(mén) 18 米處主罰直接任意球時(shí)，當(dāng)防守方排成一道四個(gè)人的人墻時(shí)，進(jìn)攻方的兩個(gè)主罰任意球球員在討論由誰(shuí)主罰：一個(gè)是以硬朗直線球聞名，而另一個(gè)則是弧線球高手。究竟由誰(shuí)來(lái)罰球？ 從物理學(xué)的角度應(yīng)該選擇弧線球，如果守門(mén)員還沒(méi)有完全適應(yīng)球的飛行路線，那么弧線球會(huì)帶來(lái)更大的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。唯一的問(wèn)題在于它需要無(wú)比的精準(zhǔn)，因?yàn)樵诟吆０翁幓【€球的允許誤差 要小得多。 值得注意的是 1986 年的墨西哥世界杯，這是最近一個(gè)海拔因素發(fā)揮作用的世界杯。最終奪冠的阿根廷隊(duì)從小組賽到?jīng)Q賽全都在海拔 2000 米以上進(jìn)行；而其他參賽球隊(duì)則在不同的海拔地區(qū)進(jìn)行。阿根廷隊(duì)是否因此占據(jù)了優(yōu)勢(shì)？如果是的話，今年不會(huì)再發(fā)生這種情況了。無(wú)論哪支球隊(duì)贏得今年的比賽，都將從高海拔轉(zhuǎn)換到海平面，然后再依次交替。 南非世界杯揭幕戰(zhàn)在海拔 1701 米的約翰內(nèi)斯堡足球城體育