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世界杯题图

图片来自网络

从蹴鞠到现代足球

说世界杯当然主要就是说足球,但足球这个话题太让中国人揪心了,比足球更揪心的是中国足球,但比足球更欣慰的则是中国蹴鞠,因为只有把历史还原到蹴鞠,我们才可以在这个让国人难堪的运动中感到一阵难得的自豪感,不是国际足联也认可蹴鞠是足球起源的说法了吗?

当我们打开维基百科“足球”这一词条时,有关蹴鞠的介绍就扑面而来了,可以参考。

从战国到唐代,古代蹴鞠的制法经历了两次重要的变革,直至宋代基本定型,后来,好像就没有咱们什么事了。

蹴鞠的第一次变革是从藤制品到革制品,非常符合“变革”的字面意义——最早的蹴鞠是用苇条相互缠绕直至形成球形,到战国之时制革业开始快速发展,被应用于“军事演习”的蹴鞠就随之开始用起了皮革,“鞠”这个字的偏旁很能说明问题。从分子结构上说,藤制品的主要成分是纤维素与木质素,表观物理性能尽管很有韧性,也有一定弹性,但毕竟还是太硬了,反弹效果很差,而且表面粗糙,露出的一些苇条也容易伤人;而革制品的主要成分是蛋白质,韧性与弹性俱佳,表面缝制之后也比较光滑,更适合作为球类游戏。

汉蹴鞠

在汉代,蹴鞠主要是达官贵人与军旅的游戏

第二次变革是在唐代完成,一种高科技的蹴鞠出现了,即中空的充气蹴鞠。此前,蹴鞠在皮革的外皮之下,常常填入毛、棉之类的有机物作为内胆,代表蹴鞠的“毬”字大概由此而来。尽管皮革是有弹性了,可是加上这个实心内胆之后产生的形变还是距离弹性形变的要求甚远,换言之,一个大脚开出去,球并不能被踢得太远,落地之后也弹不起来只能随便滚两下,如果工人偷工减料填料少了的话可能球还会容易塌陷,一个大脚下去球在落地之后或许就被拍成了一张饼——估计玩这样的蹴鞠不会像现代足球那样打配合,更像是一场用脚去搬运的力气活,所以这种运动长期是军队训练的科目也就不奇怪了。

充气球(唐代文献中称“气毬”)则完全不同了,采用膀胱作为内胆,依靠气压来调节弹性,因为气体遵循从高压向低压区扩散的规律,所以一旦外力消失形变就立即恢复,球可以被踢得更远,定位性能也能同时得到提高。想必此时的蹴鞠对体力与耐力要求就要低一些,而是真的可以玩出技巧来了,于是乎那些体态丰满的后宫佳丽们娇喘着蹴鞠的景象也就得以印到一些唐三彩的作品中了。在自然界中,膀胱是最适合制成气球的原料,首先天然就是球形,其次模量适中,既不会吹不动也不会一吹就爆,还有就是断裂伸长率较大,这大概与动物们都有憋尿做记号的习惯有关。在我老家的方言中,对于气球有另外一个接地气的名称叫“羊尿(sui)包”,也就是羊膀胱的意思,可见膀胱做气球的方法历史悠久而又普遍。只是在气筒还没发明的年代,唐朝人应该是直接用嘴充气的可能性比较大,像高力士这样的皇家服务人员可能少不了要替贵妃们代劳,吹气时大概要先克服点心理障碍什么的。

唐蹴鞠

到了唐代,女子蹴鞠是一大特色,除了文化开放外,蹴鞠材料的革新也是关键

皮革加膀胱的组合在此之后一直没有变过,高俅踢的球是这样,英国人发明的现代足球也是这样,大概1500年间没有大的变化,所以从这个角度来说,足球的确是起源于中国,英国人最大的贡献应该在于统一规则与俱乐部管理而非足球本身。

有一段野史中提到足球起源于11-12世纪英国人与丹麦人干仗,打完以后拿着丹麦士兵的头骨当球踢以泄愤,关于“足球”的百度百科也收录了这样一段。据此我查了一些英文资料,似乎没有得到这件事与足球有关的证据。先不说材料的问题,头骨其实只有天灵盖部分是圆的,窟窿眼还很多,踢起来应该只有报仇的快感而毫无竞技性,与《九品芝麻官》中包龙星意欲拿来做夜壶的情节殊途同归,发展成足球显然不靠谱,不过倒是被Diablo作为常见场景保留了下来。

世界杯用球何以越来越圆

作为全世界最受瞩目的体育赛事之一,世界杯同时也是很多高科技产品展示的舞台。然而不同于奥运会的大杂烩,世界杯是更为纯粹的足球运动,因此最大的主角还是足球,每一届世界杯官方用球也就成为了焦点。

世界杯用球

1930年以来的世界杯用球,从外观可以明显看出三个不同的阶段

探索世界杯用球,大多数人定会先看外观。在1930年到2014年这84年间,有两届世界杯官方用球显得比较特殊:一是1970年墨西哥世界杯,足球从原先乱七八糟的拼块统一成为32块拼块,即12个五边形与20个六边形的经典设计;二是2006年德国世界杯,足球又从32块的拼块变成了14块,而2010年南非世界杯再次削减为8块,到了本届则是6块。在这些数字背后究竟蕴含着什么玄机?

实际上,这些设计都是出自同一家公司——Adidas(阿迪达斯),从1970年起他们就一直给世界杯供应官方用球,从此垄断了这一位置。32块是他们的主意,放弃32块也是他们的主意,但其目的都是为了将足球做得更圆。

1970年以前的世界杯用球多数由举办国自己设计,所以每一次球的外观都不同,拼块的数目如同上帝掷骰子一样没谱,饱受球员凌虐的足球使用的皮革都是高模量的材料,换句话说就是粗糙,这也就使得接缝处不会太细腻而是坑坑洼洼,再者就是拼块不容易形成曲面,自身的张力也会使得球体偏离圆形的设计。

而1970年Adidas首次为世界杯定制官方用球时选择了32面体则是通过几何学原理近乎完美地解决了足球不圆的问题。我们知道32是个很神奇的数字——什么?演唱会?32个赞?什么意思?——32的神奇是因为它是20与12的和。通过理论计算发现,只存在5种正多面体,即四面体、六面体(正方体)、八面体、十二面体与二十面体,面数越多也就越接近圆形。正二十面体则是20个正三角形构成,有12个顶点(角),从外形上看有些圆但还仍然不够,于是就有人琢磨出来把那些尖锐的角砍掉,沿着每条棱三等分做截点,把每个顶点削掉,于是原有的正三角形都成为了正六边形,原来的顶点则成为了一个正五边形的面,几何学上称之为截角正二十面体——这便是三十二面体足球的几何模型了。

正多面体

仅有的五种凸正多面体

三十二面体虽不是完美正多面体,但却也是自然界中非常重要的几何模型。1996年的诺贝尔化学奖赏给了一种叫作“富勒烯”的物质,但这个用来命名化学物质的富勒居然与化学界没有一毛钱的关系,只是因为他在蒙特利尔世博会盖了一个类似截角二十面体的建筑。富勒烯于1985年被发现,但早在十多年前就有科学家推测存在这样一类物质,最完美的应为碳60,化学式写作C60,即60个碳原子构成一个截角二十面体。而事实证明,这一基于几何与化学性质的推断不仅合理,而且引领了一个时代。富勒烯与碳纳米管师出同门,说白了两头封端的碳纳米管就是把富勒烯给拉长了。而正是由于C60与足球的几何机构一致,它也因此获得一个名称叫足球烯(好像又找到了本系列新的话题)。

截角二十面体

将二十面体改造得到截角二十面体的示意图,C60与足球的模型。图片来自网友博客

在足球依靠拼接缝制的年代,12个正五边形与20个正六边形的确是最适合模拟球形的设计,当然还可以通过继续截角使得球体更圆,但那就需要更多拼块,而效果并未比32块提高太多。

到了2006年,世界杯来到了Adidas的大本营德国,这一次他们却放弃了32块的经典设计,变为了14块——简直一朝回到解放前。但其实这一次足球革新表面是Adidas完成,幕后却是另一个德国产业巨头Bayer(拜耳),是他们的热粘合技术使得足球的生产完全改变了原有的缝制工艺。

热粘合技术是一个涵盖范围非常宽的技术。家用的PPR(聚丙烯)管连接时不像PVC(聚氯乙烯)需要接头,用的就是热粘合技术,它是基于聚丙烯在140度左右开始熔化的特性实现,与金属焊接类似。另一大类热粘合技术则是基于热熔胶材料,典型的热熔胶有EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)与SBC(苯乙烯嵌段共聚物)等,它们表面上原理也是熔化,与聚丙烯差不多,但实际上它们更像是硫化橡胶,加热时交联点打开而冷却时又恢复,结构上类似于爬山虎的感觉。

Bayer使用的热粘合材料不同于上述两种,而是反应型聚氨酯,而且还可以做成水性基底,这是目前相当牛的热粘合技术,全世界范围实现量产的可谓仅此一家。近年来国内有企业模仿该系列产品有一定突破,也是很了不起的成果,不过需要避免知识产权的风险,还是为他们点32个赞。这类产品的技术原理相对复杂,涉及异氰酸酯的端基反应,不说也罢。形象来说,比如我们要组装两个物体,厂家预先把一种牛奶状的胶水涂到两个物体表面并烘干,这时胶已经变得完全不粘,两个物体仍然可以正常搬运,送到咱们家里;而我们组装时只需要把两个物体拼到一起,加热同时按上几分钟,这两个物体就可以粘得跟一个物体一样——因为是反应型粘合,多数情况下用来粘接皮革之类的材料时,如果想把粘好的两条皮革分开,即使皮革本身被破坏也休想从粘胶的位置拉开。除非使用专门的溶胶材料,否则就算重新加热也不会开胶,这基本是目前粘合剂领域的最高境界。

对于足球而言,热粘合技术的作用就是热定型,把生产足球需要用的材料都抹上胶水,然后放到一个完美的球形模具中加热定型,不再需要通过几何设计与缝制,此时拼块越多反而越累赘,从14到8再到6,世界杯足球表面拼块的数目不断减少也就在情理之中了。如果足球表面只剩1个拼块即一个整体时,可以想象那将成为完美的球形,那些大腕们或许也就能发挥出更精准的射门了。

尾声

足球发展史与很多技术的发展一样,伴随着机械与材料的进步而进步。在现代足球发展的一百多年中,恰好是复合材料快速腾飞的年代,最初足球都是由天然材料生产,但到了现在却几乎都是复合材料,内胆从膀胱换成了橡胶,而外层的皮革也逐渐被替代成了聚氨酯人造革。因为皮革容易吸水,因此在足球的最表面又添了一层防水涂层;因为受不了球员的蹂躏,在贴近内胆的一层又加上了一层玻璃纤维;为了增加弹性又不增加重量,在人造革里面又加了一层聚氨酯空心泡沫——如今世界杯的足球已经是一种集高科技于一身的高富帅,难怪上百美金一只呢。炎炎夏日,像我们这种伪球迷为了一帮叫不上名字的老外们(怎么还听说有中国人?一个姓梅一个姓罗?好吧这个我不懂,需要再查查)呐喊助威之时,趁着两个半场中间吹嘘一下“桑巴荣耀”这款足球的科技价值,不知道会引来一帮基友们不明觉厉的表情还是邻桌泼来的啤酒。

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7 Responses to “化学趣史(二)从蹴鞠到足球”

  1. oldkey说道:

    都是学问啊

  2. 凡非法说道:

    不错的科普文。

  3. 七月的烟火说道:

    那个热粘合技术现在是不是也用到运动鞋上面了?各种无缝线一体化鞋面什么的……

    • 孙 亚飞说道:

      是的,这个技术更成熟地应用于运动鞋,要是全靠皮球那用量也太少了

  4. 20021123说道:

    这足球变化好大啊!中国足球没戏了。。。

  5. 20021123说道:

    这足球变化好大啊!中国足球没戏了。。。呜呜呜。。。

  6. 紫陌说道:

    剩1个拼块了模具怎么拿出来?

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