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像拼乐高一样建体育场？——可“重复利用”的974体育场******

世界杯比赛正在进行

看比赛之余

不知大家是否注意到

有这样一个

全部由集装箱组合而成的球场

图源：网络 974体育场全貌

它就是“974体育场”

是卡塔尔为举办世界杯

所建造的第 7 座球场

那么，974体育场有什么特别之处？

为什么要用集装箱搭建呢？

　　974是什么意思？

　　为什么叫“974”呢？这是因为球场七成由集装箱构成，集装箱数量是974个，且这一数字和卡塔尔的国际区号（+974）相同，可容纳4万球迷。

图源：新华社

　　这座体育馆不仅名字特别，它也是全世界第一个“可回收”的临时场馆，是一座贯彻了全模块化建造的大型体育场馆。

　　为什么要用集装箱搭建？

　　2020年1月，卡塔尔承诺让2022年的赛事成为首届“碳中和”世界杯。当年 9 月，组委会制定了应对挑战的详细路线图。委员会在一份声明中表示：“我们的目标是在卡塔尔和赛事区域推进低碳解决方案，并抵消所有温室气体排放。实现碳中和世界杯分为四个步骤：提高意识、测量排放、减少排放和抵消排放。”

　　974体育场便是环保节能、可持续的最佳代表。

图源：网络 974体育场外部结构

　　球场设计遵循着“可逆性”以及“可持续性”的总原则，结构主要依靠螺丝和干式连接，并使用回收钢材。建筑团队说，所有的建筑模块都是“即插即用”的，每一个模块都经过了严格的标准化处理，以便赛前组装和日后拆卸时可以迅速按模块进行编码和识别；同时，运输、储存和装配等工作也更加容易。一旦世界杯结束，974球场可以被完全拆开，将场馆移至其他地方，或改造使其适应其他活动。

　　可“重复利用”的体育场是怎么搭建的？

　　974体育场紧邻多哈港，原本是服务于港口的临海工业基地。建筑面积12万平方米，项目总占地45万平方米。施工过程始于 2017 年，土地的发掘在 2019 年 7 月完成。

图源：网络 974体育场俯瞰

　　什么是模块化施工呢？974体育场所用到的集装箱有相当一部分就是运输其他建筑材料到施工现场所使用的集装箱，这些集装箱会承担具体的使用功能，如用作休息室或卫生间等，也会根据需求进行改装。

　　这让大量的施工工作可以在工厂环境而非工地环境中流水线完成，全部完成后再将集装箱直接插入现场结构框架中，减少所需时间、能耗和成本。974体育场仅用3年就建成开放，同时模块化施工节省了约40%的施工用水。

　　模块化施工的另一优势是拆改更为便捷快速，产生的建筑垃圾明显减少。由于采用了全模块化设计，建造所使用的预制集装箱、钢结构、座椅 甚至草皮都可以回收利用。

　　974体育场成为了世界杯历史上的一次环保尝试：用单一球场的建设成本和后续每一次重复搭建的边际成本，取代了每一处都要新建一座不可移动且赛后未必会继续使用的体育场的成本。

　　球场内部采用自然通风，974体育馆是卡塔尔八座世界杯场馆中唯一没有制冷设施的场馆，临海的位置提供了自然的新鲜微风，利用搭建时预留的空间来保证场地内外空气的循环，减轻了冷却系统的负载。集装箱的颜色也不是随机的：食物的销售场所采用蓝色；浴室采用黄色；安全和急救区采用绿色；VIP 休息室采用黑色。

　　资料来源：澎湃新闻、京报网、光明网、知乎

　　整理：董小娴

绕过人墙、半路转弯 怎么在世界杯踢出超帅“香蕉球”？******

　　又到了四年一度的世界杯

　　不知道大家是否还记得

　　2018届世界杯中

　　葡萄牙和西班牙相遇的小组赛

　　C罗在最后时刻力挽狂澜

　　踢出被解说员叹为

　　“翩若惊鸿，宛若蛟龙”的

　　“C型”任意球，扳平比分

　　被踢出的球为什么会迅速升降？

　　又为什么会“拐弯”呢？

　　首先我们来了解一下任意球

　　任意球是啥？

　　任意球是罚球的一种。它是一种在足球（或手球）比赛中发生犯规后重新开始比赛的方法。

　　任意球分两种：直接任意球，踢球队员可将球直接射入犯规队球门得分；间接任意球，踢球队员不得直接射门得分，球在进入球门前必须被其他队员踢或触及。判罚前场任意球后会使用一种泡沫喷剂划定球的摆放位置，以及人墙的站位，发任意球时需要用手触球，然后在裁判哨响后踢球。

　　香蕉球？能吃吗？

　　事实上，C罗踢出的这种任意球在足球比赛中并不少见。

　　在1997年，在巴西对法国的一场足球比赛中，巴西足球运动员Roberto Carlos，在没有通向球门的直接路线的情况下，从35米外开出一个任意球。他的射门使球飞过球员，并在快要出界的时候急转向左，砸入球门。

　　图源：网络 香蕉球图解

　　球的突然拐弯让在场球员，特别是法国守门员根本来不及反应。这个史上最漂亮，最具标志性和最违反物理学定律的任意球，被叫作“香蕉球”。法国物理学家对此研究了数年，终于用“马格努斯效应”解释了这个问题。

　　马格努斯效应

　　图源网络

　　当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体飞行轨迹发生偏转的现象。这是流体力学中的一种现象。

　　图源：陕西师范大学物信院 马格努斯效应示意图

　　旋转物体之所以能在横向产生力的作用，是由于物体旋转可以带动周围流体旋转，使得物体一侧的流体速度增加，另一侧流体速度减小。

　　是不是听得云里雾里？

　　香蕉球轨迹

　　球在气流中运动时，如果其旋转的方向与气流同向，则会在球体的一侧产生低压，而球体的另一侧则会产生高压。运动员的用力方向朝右，所以足球逆时针旋转。拐点处足球左侧产生低压，右侧产生高压，这样就导致足球存在横向的压力差，并形成向左侧的力。

　　图源：NKPhysics

　　根据物理公式，距离越远，速度越慢，球偏离角度也就越大。因此，我们能看到在香蕉球运行的末尾时刻，会发生更剧烈的偏转，给守门员一个巨大的“惊吓”。

　　我也能踢出和C罗一样的球吗？

　　回到文章开头提到的C罗“力挽狂澜”的任意球，这一球不止踢出了上述“香蕉球”的概念，同时也混合了“电梯球”，即指大力踢出的足球，下落很快，像是从电梯上下坠，它实际上是高速飞行的足球受到重力和大雷诺数阻力下的运动轨迹。

　　图源： 中国物理学会期刊网 皮尔洛的“电梯球”

　　葛惟昆教授解释说：“踢出电梯球的一大关键要素，就是球的初始速度要快。”要踢电梯球，球的初始速度应该接近150公里/小时，没错，就是一辆车在高速公路上狂飙的速度。

　　图源：科学世界

　　研究人员在进行场景模拟时发现，要想让100公里/小时以上速度的任意球避开人墙（假定在距离约9米远的位置有5名身高1.8米的对方球员并排）成功射门，球离开地面时与地面的夹角必须控制在15°～17°之间，也就是仅有2°的精度范围（在距离球门25米的位置，踢出转速为每秒8转的侧旋弧线的情况）。

　　如果是足球，以每小时90千米的速度每秒旋转8转，球会在这个距离内弯曲3米以上。

　　图源见水印

　　而踢出弧线的关键在于，落脚点在偏离球心的位置，偏离球心的幅度越大，球的转速越快。有研究人员称，安德烈亚皮尔洛等优秀的任意球球员会使球的旋转轴倾斜角度大于侧旋，让马格努斯力倾斜向下发挥作用，从而踢出“球速快、大幅弯曲的同时又急剧下沉的”球路。

　　资料来源：科学世界、中国物理学会期刊、科技日报、天津科普说、NKPhysics

　　整理：董小娴

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）