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球迷為之如癡如醉。當你欣賞球賽，為自己喜歡的球隊、球星鼓勁吶喊時，不一定會想到科學問題。事實上，每一屆成功的世界杯賽都有科學的支撐。如本屆南非世界杯一個突出課題就是如何應對高海拔的挑戰；此外，一系列與球員、裁判、教練、球迷有關的科學研究也有了結果。 編者 2007 年 2 月，巴西弗拉門戈足球隊在玻利維亞踢了一場美洲杯比賽，其對手皇家波托西隊的主場坐落于安第斯山脈，體育場海拔將近 4000 米。在瓢潑大雨中，弗拉門戈隊先以 0 比 2 落后，期間，許多球員需要吸氧來緩解高原反應。雖然他們最終以 2 比 2 打平，但弗拉門戈隊宣布以后再也不會在高海拔地區比賽。 這由此也引發了足球的“高海拔爭議”。巴西足聯以弗拉門戈隊的案例向國際足聯申訴，安第斯山的高海拔地區不適宜舉行足球比賽。 2007 年 5 月國際足聯裁定，“為了球員的 健康”，國際比賽不得在海拔2500 米以上的地區舉行。 如果巴西足聯認為這意味著勝利的話，他們沒有想到來自玻利維亞、厄瓜多爾和哥倫比亞的回擊。后者向國際足聯反訴，認為這項裁定會讓他們的國家體育場館不再有資格進行國際比賽。作為回應，國際足聯取消了禁令，留待進一步研究。 2010 年 6 月，海拔再次成為足球的一個議題。南非世界杯將是 24 年來首次在較高海拔場館舉行。主體育場約翰內斯堡的足球城海拔 1701 米。雖不如安第斯山脈那么高，但也足夠讓人產生高原反應。其他 6個場館也在高海拔處（見圖）。這會對比賽造成影響嗎 ? 高海拔 之爭 在意識到南美國家的爭論之后， 2007 年 10 月，國際足聯邀請頂尖科學家在其瑞士蘇黎世總部討論了高海拔對足球運動的已知影響。與會科學家們認為，確定在海拔對足球影響這一領域很少有受控實驗，他們只能從其他運動項目諸如跑步、滑雪和登山等研究中得出推論。 首先在體能表現方面，他們得出的結論是：在 500 米以下沒有任何影響，在 500 米以上，負面影響會越來越顯著 例如心跳加速、呼吸不暢以及活力下降；而所在地海拔越高，情況會越嚴重 甚至有些人會比其他人受到的影響更大。在 2000 米處，高原反應和水土不服就成了問題，在 3000 米處，體能會受到實質性的影響。 由海拔造成的生理反應主要是空氣中的氧氣減少而引發的，造成了血液中氧氣含量的減少。由此引發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 來衡量。對耐受力的研究表明，在300 米以上，海拔每上升 1000 米最大攝氧量降低約 6%；而當運動員精疲力竭時，海拔每上升 1000 米降低約 14%。 海拔不僅僅會影響球員的體能 參加南非世界杯的球隊還要適應可能改變足球飛行弧度的高原空氣動力學 將體能降低值控制在最小的標準方法是幾天的當地適應性訓練。短短的幾天雖然不能恢復 到海平面時的水平，但國際足聯小組建議在高海拔地區呆上 3 5 天。即使是生活在海拔 3600 米處的玻利維亞足球運動員，他們的最大攝氧量也比海平面的球員低 12%左右。 那么，這些高原反應會把南非世界杯的比賽結果搞得一塌糊涂嗎？應該不會。這次比賽用的場館沒有一個建在海拔 2000 米以上的，而 32 支參賽球隊在比賽期間也大部分住在球場附近，包括運動員還會借助高海拔模擬室進行預適應訓練。 足球的飛行 然而，高海拔也是一面雙刃劍。一些與會的科學家注意到，有報道稱適應了高海拔環境的球員在陡降到海平面比賽時體能會下降，可能使得他 們在與適應了海平面環境的球隊比賽中處于劣勢。因為半決賽在海平面處舉行，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，因此該效應可能會影響到比賽。 大力神杯 體能并不是唯一受影響的。國際足聯小組還推測，高海拔可能會改變足球的空氣力學性質，造成球員的發揮失常，其關鍵在于大氣的折合密度：它會影響球在空中運行的速度以及弧度。海拔每上升 1000 米，大氣壓力（也就是空氣密度）會下降大約 11%（精確的公式要遠比這復雜）。假設其他情況等同，約翰內斯堡的大氣壓約是開普敦的 81%。 吉祥物：扎庫米 溫度也是一大影響因素。空氣密度每降低 3%，溫度則會上升 10。假設開普敦寒冷冬夜的溫度為 7，則約翰內斯堡冬日下午的溫度會達到 10，高 20%。這樣的差異在世界杯期間極有可能出現。 為了直觀地表現這個差異，想象一個球在球門正前方 18 米外被踢出 在罰球區外 朝向球門的左上角飛去。假設在海平面處，球速為平均每秒 22.8 米，在 0.817 秒后會攻破球門。 在高海拔處情況又會怎樣？因為阻力和空氣密度成正比，在 1700 米處的同樣一次射門，就比在海平面處的球速更快 0.801 秒后到達球門線（比在海平面時快 2 個足球直 徑），減少了球在空中的下降時間，最終直接撞到球門的橫梁上。結果是，球員必須掌握足球的飛行線路 為了讓球直接進入網內，起球時要比往常稍低一些，以降低球的飛行角度。 假設在同一位置射門，但要越過門前由防守球員排成的人墻，這就需要讓球側旋，由此產生的力 被稱為馬格努斯力 會使球的軌跡彎曲。包括習慣于海平面球況的守門員需要比平常反應更敏捷，否則就會看到球從張開的五指間飛入網內。 同樣在海平面處，同一位置的射門速度為每秒 20 米，當繞過人墻右端折回后，在 1.114 秒飛入球門左上角。在約翰內斯堡，由于低空氣密度既 降低了阻力，同時也降低了旋轉效應，完全相同的射門既可能會高出球門也可能會撞上人墻。 而適應以后，球員將用更大的旋轉和稍低的射門角度以使球越過人墻飛入球門上角。而球的飛行速度會比在海平面時快 0.03 秒（或超過 2 個足球直徑）。如果守門員此時作出海平面時的那般反應，球會在被攔截之前進入網內。 戰術的改變 是否有證據顯示高海拔真的會影響足球比賽的結果？英國牛津大學工程師帕特里克麥克謝里（ Patrick McSharry）對 1900 年 2004 年間在南美舉行的 1460 場國際比賽進行了調查分析。他的結論是：真正起作用 的并非是海拔自身而是海拔的改變。將技術差異等因素一并考慮后，高海拔球隊在與海平面球隊進行主場比賽時有更多的勝算。反之，當高海拔的球隊來到低海拔比賽時，他們勝率較低。 除了生理和空氣動力學兩方面原因外，球隊的戰術安排也舉足輕重 變換球隊的戰術或許可以彌補足球飛行線路的變化。將這個假設放進比賽中，研究人員分析了墨西哥隊 2010 世界杯預選賽的 8 場比賽數據，其中包括在海拔 2288 米的墨西哥城阿茲特克體育場的 4 場主場比賽。根據英國著名體育數據分析公司ProZone 提供的數據，在禁區外的射門次數會隨著海拔升高而增加， 而禁區內的射門次數則會降低。這是否暗示著在高海拔處，球員會以增加遠射的次數來借助足球平直快速的飛行路線破門。 類似的戰術安排在南非會一顯身手。想象一下在約翰內斯堡進行的一場比賽，在球門 18 米處主罰直接任意球時，當防守方排成一道四個人的人墻時，進攻方的兩個主罰任意球球員在討論由誰主罰：一個是以硬朗直線球聞名，而另一個則是弧線球高手。究竟由誰來罰球？ 從物理學的角度應該選擇弧線球，如果守門員還沒有完全適應球的飛行路線，那么弧線球會帶來更大的時間優勢。唯一的問題在于它需要無比的精準，因為在高海拔處弧線球的允許誤差 要小得多。 值得注意的是 1986 年的墨西哥世界杯，這是最近一個海拔因素發揮作用的世界杯。最終奪冠的阿根廷隊從小組賽到決賽全都在海拔 2000 米以上進行；而其他參賽球隊則在不同的海拔地區進行。阿根廷隊是否因此占據了優勢？如果是的話，今年不會再發生這種情況了。無論哪支球隊贏得今年的比賽，都將從高海拔轉換到海平面，然后再依次交替。 南非世界杯揭幕戰在海拔 1701 米的約翰內斯堡足球城體育