Ein Sportphysiker enthüllt die verborgene Wissenschaft hinter dem diesjährigen WM-Fußball

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Ein Sportphysiker enthüllt die verborgene Wissenschaft hinter dem diesjährigen WM-Fußball

Wie bei jeder WMBei der FIFA WM 2022 In Katar spielen die Spieler mit einem neuen Ball. Das letzte, was die Wettbewerber wollen, ist, dass sich das wichtigste Ausrüstungsteil beim wichtigsten Turnier der beliebtesten Sportart der Welt auf unerwartete Weise verhält. Daher wird viel Arbeit darauf verwendet, sicherzustellen, dass sich jeder neue WM-Ball für die Spieler vertraut anfühlt.

Ich bin Physikprofessor Bei der Universität Lynchburg der Sportphysik studiert. Trotz Kontroversen über Korruption und Menschenrechtsfragen im Zusammenhang mit der diesjährigen Weltmeisterschaft steckt immer noch Schönheit in der Wissenschaft und dem Können des Fußballs. Als Teil meiner Recherche mache ich alle vier Jahre eine Analyse des neuen WM-Balls, um zu sehen, was in die Entwicklung des Herzstücks des schönsten Spiels der Welt geflossen ist.

Die Physik des Widerstands

Zwischen Torschüssen, Freistößen und langen Pässen passieren viele wichtige Momente eines Fußballspiels, wenn der Ball in der Luft ist. Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Fußballs ist also, wie er sich durch die Luft bewegt.

Wenn sich ein Ball durch die Luft bewegt, umgibt eine dünne Schicht aus meist ruhender Luft, die als Grenzschicht bezeichnet wird, einen Teil des Balls. Bei niedrigen Geschwindigkeiten bedeckt diese Grenzschicht nur die vordere Hälfte des Balls, bevor sich die strömende Luft von der Oberfläche ablöst. In diesem Fall ist der Luftstrom hinter dem Ball ziemlich regelmäßig und wird als laminare Strömung bezeichnet.

Wenn sich ein Ball jedoch schnell bewegt, wickelt sich die Grenzschicht viel weiter um den Ball herum. Wenn sich der Luftstrom schließlich von der Oberfläche des Balls löst, geschieht dies in einer Reihe chaotischer Wirbel. Dieser Vorgang wird als turbulente Strömung bezeichnet.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten umschließt die Luft nur die Oberfläche der vorderen Hälfte eines Fußballs, bevor sie sich auf eine organisierte Weise ablöst, die als laminare Strömung bezeichnet wird, wie hier auf diesem Windkanalfoto zu sehen ist.NurPhoto/NurPhoto/Getty Images

Bei der Berechnung, wie viel Kraft bewegte Luft auf ein sich bewegendes Objekt ausübt – genannt Luftwiderstand – verwenden Physiker einen Begriff namens Luftwiderstandsbeiwert. Je höher der Luftwiderstandsbeiwert bei einer bestimmten Geschwindigkeit ist, desto mehr Luftwiderstand fühlt sich ein Objekt an.

Es stellt sich heraus, dass der Luftwiderstandsbeiwert eines Fußballs so ist bei laminarer Strömung etwa 2,5 mal größer als bei turbulenter Strömung. Obwohl es kontraintuitiv erscheinen mag, verzögert das Aufrauen der Oberfläche eines Balls die Trennung der Grenzschicht und hält einen Ball länger in turbulenter Strömung. Diese physikalische Tatsache – dass rauere Bälle weniger Luftwiderstand spüren – ist der Grund, warum Golfbälle mit Noppen viel weiter fliegen, als wenn die Bälle glatt wären.

Bei hohen Geschwindigkeiten bewegt sich die Luft, die über einen Fußball strömt, fast vollständig zur Rückseite des Balls, bevor sie sich in chaotische Wirbel aufteilt, die als turbulente Strömung bezeichnet werden.NurPhoto/NurPhoto/Getty Images

Bei der Herstellung eines guten Fußballs ist die Geschwindigkeit, mit der der Luftstrom von turbulent zu laminar übergeht, entscheidend. Dies liegt daran, dass ein Ball beginnt, sich dramatisch zu verlangsamen, wenn dieser Übergang auftritt. Wenn die laminare Strömung mit zu hoher Geschwindigkeit beginnt, beginnt die Kugel viel schneller zu verlangsamen als eine Kugel, die die turbulente Strömung länger aufrechterhält.

Entwicklung des WM-Balls

Adidas hat seit 1970 Bälle für die Weltmeisterschaft geliefert. Bis 2002 wurde jeder Ball mit der legendären 32-Panel-Konstruktion hergestellt. Die 20 sechseckigen und 12 fünfeckigen Paneele wurden traditionell aus Leder gefertigt und zusammengenäht.

Mit der WM 2006 in Deutschland begann eine neue Ära. Der Ball von 2006, Team Spirit genannt, bestand aus 14 glatten, synthetischen Paneelen thermisch gebunden zusammen statt genäht. Die fester verklebte Dichtung hielt an regnerischen und schwülen Tagen Wasser aus dem Ballinneren fern.

Einen Ball aus neuen Materialien, mit neuen Techniken und mit einer geringeren Anzahl von Paneelen herzustellen, verändert die Art und Weise, wie der Ball durch die Luft fliegt. Bei den letzten drei Weltmeisterschaften hat Adidas versucht, die Anzahl der Paneele, die Nahteigenschaften und die Oberflächenstruktur auszugleichen, um Bälle mit genau der richtigen Aerodynamik zu schaffen.

Der Jabulani-Ball mit acht Bahnen bei der Weltmeisterschaft 2010 in Südafrika hatte strukturierte Bahnen, um kürzere Nähte und eine geringere Anzahl an Bahnen auszugleichen. Trotz der Bemühungen von Adidas war der Jabulani ein umstrittener Ball, wobei sich viele Spieler darüber beschwerten, dass es abrupt verlangsamt wurde. Als meine Kollegen und ich den Ball im Windkanal analysierten, stellten wir fest, dass die Jabulani war insgesamt zu glatt und hatte daher einen höheren Luftwiderstandsbeiwert als der Team Spirit-Ball von 2006.

Die WM-Bälle für Brasilien 2014 – der Brazuca – und Russland 2018 – der Telstar 18 – hatten beide sechs seltsam geformte Felder. Obwohl sie leicht unterschiedliche Oberflächentexturen hatten, hatten sie im Allgemeinen die gleiche Gesamtoberflächenrauheit und daher ähnliche aerodynamische Eigenschaften. Spieler allgemein mochte die Brazuca und Telstar 18, aber einige beschwerten sich über die Tendenz der Telstar 18 leicht zu knallen.

Al Rihla-Ball 2022

Der neue Katar-WM-Fußball ist der Al Rihla.

Das Al Rihla wird mit gemacht Tinten und Klebstoffe auf Wasserbasis und enthält 20 Tafeln. Acht davon sind kleine Dreiecke mit ungefähr gleichen Seiten und 12 sind größer und haben die Form einer Eistüte.

Anstatt wie bei früheren Bällen erhabene Texturen zu verwenden, um die Oberflächenrauheit zu erhöhen, ist der Al Rihla mit bedeckt grübchenartige Merkmale die seiner Oberfläche im Vergleich zu seinen Vorgängern ein relativ glattes Gefühl verleihen.

Um das glattere Gefühl auszugleichen, sind die Nähte des Al Rihla breiter und tiefer – vielleicht aus den Fehlern des übermäßig glatten Jabulani gelernt, der die flachsten und kürzesten Nähte der jüngsten WM-Bälle hatte und den viele Spieler als langsam in der Luft empfanden .

Meine Kollegen in Japan haben die vier neuesten WM-Bälle im Windkanal getestet Universität von Tsukuba.

Der Luftwiderstandsbeiwert für die letzten vier WM-Bälle

Der neue Ball von Al Rihla hat einen niedrigeren Luftwiderstandsbeiwert bei niedrigeren Geschwindigkeiten, während der Jabulani-Ball aus dem Jahr 2010 bei höheren Geschwindigkeiten mehr Luftwiderstand verspürte – und daher schneller verlangsamte – als die anderen drei Bälle.

Wenn die Luftströmung von turbulenter zu laminarer Strömung übergeht, steigt der Luftwiderstandsbeiwert schnell an, wenn dies bei einem Ball im Flug passiert, erfährt der Ball plötzlich einen steilen Anstieg des Luftwiderstands und wird abrupt langsamer.

Die meisten der von uns getesteten WM-Bälle machten diesen Übergang bei etwa 36 mph (58 km/h). Wie erwartet ist der Jubalani mit einer Übergangsgeschwindigkeit von rund 82 km/h der Ausreißer. Wenn man bedenkt, dass die meisten Freistöße mit einer Geschwindigkeit von über 97 km/h beginnen, macht es Sinn, dass die Spieler der Meinung waren, dass der Jabulani langsam und schwer vorhersehbar war. Die Al Rihla hat Aerodynamische Eigenschaften sehr ähnlich zu seinen beiden Vorgängern und darf bei niedrigeren Geschwindigkeiten eher noch etwas schneller fahren.

Jeder neue Ball wird mit Beschwerden von jemandem beantwortet, aber die Wissenschaft zeigt, dass sich die Spieler der diesjährigen Weltmeisterschaft mit Al Rihla vertraut fühlen sollten.

Dieser Artikel wurde ursprünglich am veröffentlicht Die Unterhaltung von John Eric Goff an der University of Lynchburg. Lies das Originalartikel hier.