De verrassende aerodynamica achter het Brazuca Wereldbeker voetbal

Anonim

De verrassende aerodynamica achter het Brazuca Wereldbeker voetbal

Wetenschap

Anthony Wood

18 juni 2014

3 afbeeldingen

De Brazuca World Cup-wedstrijdbal wordt getest in een windtunnel (Foto: NASA 's Ames Research Center)

Onder het mom van Wereldbeker koorts grijpen wetenschappers over de hele wereld de mogelijkheid aan om de aerodynamische eigenschappen te onderzoeken van wat naar alle waarschijnlijkheid het meest spraakmakende object op wereldschaal zal zijn in de komende weken, de 2014 World Cup-wedstrijdbal. De bal, liefdevol Brazuca genoemd door het Braziliaanse volk, is het product van een aanzienlijke hoeveelheid onderzoek en geld gericht op het creëren van het ultieme middelpunt voor een van de grootste sportwedstrijden op aarde.

Je zou het kunnen vergeven als je denkt dat een bal eigenlijk gewoon een bal is - een gelijmde, gefelste constructie van polyurethaan, geschopt rond een stukje aarde, niet in staat om zelf een bron van woede of ontevredenheid te zijn. Fout. Als je wat dieper ingaat op de verrassend controversiële geschiedenis van de WK-matchbal, zul je je realiseren dat elk facet in het ontwerp van de kleine bol invloed heeft op de manier waarop het zich gedraagt ​​en door de lucht beweegt. Elke vorm van onoplettendheid in dit ontwerp kan de bal onvoorspelbaar maken, zoals het geval was met de late, betreurde Jabulani, een bal die aërodynamische eigenschappen vertoonde die zo duidelijk waren dat de Braziliaanse spits Luis Fabian het bovennatuurlijk beschreef in zijn bewegingen.

De vlucht van een bal door de lucht brengt een ingewikkeld mengsel van aerodynamische krachten met zich mee. Uitgelegd op een basisniveau, wanneer een bal in beweging is, vormt zich een dunne laag lucht die bekend staat als de grenslaag rond de bol. Het is deze grenslaag die het meeste invloed heeft op het gedrag van een bal tijdens de vlucht. Een van de aerodynamische effecten die het intuïtieve pad van een bal kunnen veranderen, staat bekend als knokkels. Dit effect vindt plaats wanneer een bal wordt getrapt met weinig of geen spin, waardoor de naden van de bal de lucht op een onvoorspelbare manier kanaliseren, waardoor eerdere ballen zoals de WK 2010 Jabulani hun schijnbaar bovennatuurlijke bewegingen geven. Omdat de bal geen initiële spin heeft, wordt het pad bepaald door drukverdeling over het oppervlak, dat zich in een staat van constante verandering bevindt. Dit creëert een grillige fladderende beweging.

Een bal met 32 ​​panelen wordt door het waterkanaal van het Ames Research Center gevoerd (Foto: NASA 's Ames Research Center

Adidas, de makers van de Brazuca, probeerden het onvoorspelbare karakter van eerdere WK-wedstrijdballen te bestrijden door honderden actieve spelers te raadplegen en uiteindelijk te kiezen voor een aantal technieken om het knokkeleffect te beperken. De sportreus besloot de ruwe textuur van de bal te vergroten en de Brazuca te verlijmen met zes grote panelen in vergelijking met de acht kleinere die de Jabulani vormden.

Wetenschappers van NASA in het Ames Research Center testten de Brazuca met behulp van een windtunnel en een waterkanaal, terwijl ze lasers en fluorescerende verf gebruiken om de aërodynamische krachten die op de bal werken tijdens de vlucht te markeren en te simuleren. "Wat we zoeken in de rookpatronen is bij welke snelheid de rookpatronen plotseling veranderen, " verklaarde Rabi Mehta, hoofd van de Experimentele Aero-Physics Branch in het Ames Research Center. "Dit is wanneer het knokkeleffect het grootst is. "

Het ontwerp van de Brazuca beperkte de optimale knokkelsnelheid tot slechts 30 mijl per uur (48 km / u), terwijl de veel zachtere Jabulani met een snelheid van rond de 50 km / u (80 km / h) knokte. Dit wordt relevant als men bedenkt dat de gemiddelde slagingssnelheid van een WK-speler 50 - 55 mph (80 - 89 km / h) is, bijna exact dezelfde snelheid waarmee de Jabulani een grillige vlucht in de lucht wordt. Daarom wordt de bal door het beperken van de knokkelsnelheid van de Brazuca tot 30 mph, veel voorspelbaarder voor een doelman om te onderscheppen. "De spelers moeten gelukkiger zijn met de nieuwe bal, " zegt Mehta. "Het is tijdens de vlucht stabieler en zal meer hanteren als een traditionele bal met 32 ​​panelen. "

NASA-wetenschappers observeren de aerodynamische omstandigheden op het werk rond de Brazuca met behulp van rook en laserlicht (Foto: NASA 's Ames Research Center

Onderzoekers van MIT hebben ook de deugden van het ruigere oppervlak van de Brazuca geanalyseerd. Aangenomen wordt dat deze weg van geleidelijk soepeler matchballen een weinig bekend fenomeen zal tegengaan dat het Magnus-effect wordt genoemd. Deze aërodynamische eigenaardigheid zorgt ervoor dat een zeer soepele bal, zoals de Jabulani, in de tegenovergestelde richting buigt in vergelijking met een ruwere bal die door dezelfde persoon wordt geraakt. Stel je bijvoorbeeld een rechtshandige spits voor die een penalty neemt met de huidige ruw-gecoate Brazuca-bal. Hij slaat de bal naar de buitenkant waardoor de intuïtieve haaks-van-links haak in het traject van de bal ontstaat. Als hetzelfde schot echter was gemaakt met een zeer gladde bal, zou het schot in de tegenovergestelde richting zijn gebogen.

Dit verrassende fenomeen wordt gecreëerd door contrasterende omstandigheden in de grenslaag. Een vloeiende bal creëert een overwegend laminaire stroming, waardoor deze tegengesteld aan het verwachte pad van de bal beweegt, maar een ruwere bal veroorzaakt turbulentie in de grenslaag, waardoor de bal op een meer voorspelbare manier gedraagt. De Brazuca heeft naden die 50% langer zijn dan zijn voorganger, waardoor een veel ruwer oppervlak ontstaat en waardoor de vlucht van de bal veel meer past bij het traject van een traditionele 32-panelen bal.

Tot slot, probeer de volgende keer dat je een verbluffende foto maakt vanaf de rand van het strafschopgebied, niet simpelweg te denken aan een bal die tegen de achterkant van een net slaat, maar in plaats daarvan rustig de veelvoudige aërodynamische krachten in het spel te erkennen, het pad naar heerlijkheid.

De onderstaande video toont enkele van de aerodynamische tests die de Brazuca onderging bij het Ames Research Center van NASA.

Bronnen: NASA, MIT

De Brazuca World Cup-wedstrijdbal wordt getest in een windtunnel (Foto: NASA 's Ames Research Center)

Een bal met 32 ​​panelen wordt door het waterkanaal van het Ames Research Center gevoerd (Foto: NASA 's Ames Research Center

NASA-wetenschappers observeren de aerodynamische omstandigheden op het werk rond de Brazuca met behulp van rook en laserlicht (Foto: NASA 's Ames Research Center