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[交流] 【转载】世界杯的“上帝之手”：当足球遭遇海拔

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2010/6/233802.shtm

那些以高海拔为优势，或已经习惯从低地转至高海拔的球队，将会受益，这表明南美队的胜算机会大

世界杯来了，这让举办国南非成为目前全球球迷们最为关注的地方。在围绕世界杯展开的大量话题中，海拔高度是一个颇有科技含量的足球话题。

南非世界杯是24年来首次在明显高于海平面的比赛地点所举办的比赛。其最主要的场馆是约翰内斯堡的足球城，海拔高度是1701米，虽然这还不如安第斯山脉高，但也已经到了会产生高山反应的高度。其他6个比赛地点也处在高原地带。那么，这对比赛会有影响吗？

高原“公案”

我们先来看一段“公案”。

2007年2月，巴西弗拉明戈（Flamengo）足球队正在玻利维亚进行一场南美杯比赛，对手是来自高海拔安第斯山地的皇家普托斯（Real Potosi），而球场位置几乎设在海拔4000米，并且赶上滂沱大雨，弗拉明戈开始时以0：2落后，他们的很多队员都需要瓶装氧气来减轻高原反应。尽管最后他们终于扳回到2：2平局，弗拉明戈队在赛后声明，他们将不会再在这样高的海拔比赛。

围绕足球的“高原争议”就此开始。之后，弗拉明戈队的案例被巴西足协接受，他们到国际足联（FIFA）抱怨说，足球比赛地点不适合选在高海拔的安第斯山上。2007年5月，国际足联出台规定：“为了运动员的健康起见”，国际比赛不能再到超过2500米的地方举办。

巴西人笑了，但这不意味着最后的胜利，他们没有料到玻利维亚、厄瓜多尔和哥伦比亚的反击。这几个国家也向国际足联投诉，说这将阻止国际比赛在他们国家的体育场举办。国际足联对此的反应是取消禁令，等待进一步的研究结果。

紧随南美争端发生之后，2007年10月，国际足联邀请了一些医学界大腕在其老家瑞士苏黎世开了一个会，讨论海拔高度对足球比赛影响的问题。与会代表很快确定，目前很少有在高海拔足球比赛的对照研究，所以他们不得不从其他包括赛跑、滑冰和登山等运动的研究中做出推论。

他们调查的第一个问题就是体能。结论是在海拔500米之下没有影响，超过500米，会出现诸如心律加快、呼吸困难和体力下降等不利影响；随着海拔的升高，影响会变得更为明显和严重，不过一些人会比其他人反应重。到达海拔2000米，就会出现高山病的问题，这时候适应是至关重要的。3000米以上对身体性能有实质性影响。

高海拔的生理影响主要是由于空气中氧含量减少，进而限制了血液中氧水平而造成的。其导致的个体体能下降可用一个数值来测量，这个值叫做最大摄氧量，是指（人体）摄取氧气的最大比例，以每公斤每分钟多少升计。

对耐力运动员的研究表明，海拔超过300米，每上升1000米最大摄氧量下降约6%，而衰竭之前的时间大约是在每1000米最大耗氧量下降14%左右。

尽量减少这种体能下降的标准方法是用几天的时间来适应环境。国际足联小组建议，运动员用几天时间呆在一个海拔高度，不过用这种办法不可能完全恢复在海平面的身体素质水平，因为就算是生活在海拔3600米的玻利维亚足球运动员，其最大耗氧量也要比生活在海平面的足球运动员低大约12%。

所以，人们对海拔的生理影响会不会扭转世界杯比赛结果呢？可能不一定。因为没有一处比赛场馆设在海拔2000米之上，而32个球队中的绝大多数在比赛期间都会住在当地高海拔地区。那些不住高原的队肯定会用压力室（altitude chambers）来备战。

球的飞行

不过，这里也存在一个变数，一些与会研究人员指出，有报告说，适应了高海拔的运动员在突然回到海平面时，体能会下降。这种作用可能会使得他们下到海平面与另一个适应海平面的球队比赛时，处于相应的劣势。当一个队在高原赢得四分之一决赛，而另一个队是在海平面赢得比赛时，两队之间的半决赛将在海平面进行，这就可能影响到比赛后期。

受影响的不仅仅是体能，国际足联小组还得出结论，认为高海拔可能会改变球的空气动力学，在某种程度上运动员可以发现这个问题。

这里的关键是大气密度降低会影响球在空气中的运动速度并会使旋转球转向。海拔每增加1000米，就会使气压相应降低，并因此使空气密度减少大约11%。在其他条件相同的情况下，约翰内斯堡的气压大致是开普敦的81%。

温度也会造成影响，气温每增加10°C，空气密度便下降3%，所以，开普敦一个寒冷的冬季夜晚（7°C）与约翰内斯堡温暖的冬季午后（11°C），二者的空气密度差异会超过20%。而像这样的差异很可能出现在世界杯期间。

这种差异需要在实践中观察。设想一下，运动员在罚球区外距球门18米处起脚射门，足球直奔球门左上角。如果是在海平面，这一记射门会使球以每秒22.8米的平均速度飞行，并在0.817秒后穿过球门线。

那么，在高海拔地区又是怎样一种情况呢？因为阻力与空气密度成比例，所以，同样一记射门，在海拔1700米会比在海平面速度更快，会在0.801秒后到达门线，大约比在海平面时前移了两个球直径的长度。这就使得球下落时间更少，从而使之击中门楣。

这样的结果，是球员必须适应球的飞行，要让球落在门楣之下，他们必须学会要将目标瞄准得略低于正常水平，将球的起飞角度降低约半度。

防守球员同样需要适应。已经习惯了海平面足球运动轨迹的守门员需要比正常情况的反应更快，要不然他就会看到球飞过其伸出的手指进入网中。

现在想想，一个与上面同样位置的弧线球在门前排成一排的防守队员人墙附近突然转向，该球用的是侧旋，其产生的力叫做马格纳斯力（Magnus force），这正是球的运动轨迹发生转向的原因。

在海平面时，射门的球速是每秒20米，球大概是在1.114秒后在人墙的右手末端转向，然后折回进入球门左上角。而在约翰内斯堡，完全相同的一记劲射要么飞过门楣，要么就打在人墙上。因为较低的空气密度既降低了阻力也减小了球的自旋效应。

随着球员对高海拔的适应，他们将学会将击球位置略微下移，并应用更多的旋转让球绕过人墙进入球门上角。这一记射门比其相应的海平面射门提前0.03秒（或2个球的直径）跨过球门线，假如守门员的反应与在海平面一样的话，这个球就会在他有可能接到之前已经进到门内了。

那么迄今为止，从理论上讲，是不是有证据表明高海拔对足球比赛结果有实际影响呢？牛津大学的工程师帕特里克调查了1900年到2004年之间在南美进行的1460场比赛。结果他发现不是海拔本身，而是高度变化的问题。在考虑了技术上的差别之后，高原球队在自己的家乡与来自海平面的球队比赛，获胜可能性增加，然而，当高海拔地区的球队来到海平面位置的球场比赛时，则不大可能获胜。

战术变换

这可能既有生理上、又有空气动力学的原因。战术也可能发挥了一定作用，即球队通过改变踢球方式来弥补足球运行的变化。为了将这一假说运用在试验中，研究人员分析了墨西哥为赢得2010年世界杯资格所进行的8场比赛的数据，包括4场在墨西哥国内阿兹台克体育场的比赛，这个场馆海拔2288米。根据英国足球成绩分析家Prozone提供的数据，在高原地区，罚球区外的射门数增加，而罚球区内射门数减少。这就是说，在高海拔地区，可能要训练球员的远射能力，这样，才能充分利用足球更直更快的飞行轨迹。

类似的战术计算可能也会在南非上演。想想看，有一场在约翰内斯堡的比赛，判了直接任意球，要从距离球门18米外直接射门，当防守队组成4个人的人墙时，进攻队队长与两名主罚任意球的队员讨论选谁踢球，这两个人一个是以射门的狠和直而闻名，另一个则是绕过人墙的弧线球射门专家，那么，队长会选谁呢？

按照物理学原理，应选弧线射门球员：如果门将还没有完全适应球的飞行轨迹，那么弧线射门将会赢得较多的时间优势。唯一的问题是这需要超级准确，因为在高原地区，弧线射门的误差相当小。

值得一提的是1986年的墨西哥世界杯，这是上一次高度成为问题的比赛。最后冠军阿根廷的所有比赛都是在2000米之上进行的。而其他的所有领先球队都不得不在不同的海拔高度比赛，那么，是不是这一因素让阿根廷队获益了呢？如果是这样的话，今年就不会发生这样的情况，获胜的队将从高原回到海平面，然后再次回到高海拔。

所以，世界杯的关键问题是参赛各队需要考虑环境适应性和战术上的变换。球员需要适应高原的变化，特别是高海拔对于足球飞行的影响。那些以高海拔为优势，或已经习惯从低地转至高海拔的球队，将会受益，这表明南美队的胜算机会大。（编译自《新科学家》）

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