Physique du ballon de football

L'article d'accompagnement explorant la science physique des ballons de football a été distribué pour la première fois dans le magazine Quite A While World, juin 1998, pp25-27....

Contenu

1La physique du ballon de football
2 Aérodynamique des ballons de sport
3 balles tournantes
4Traînée contre vitesse
5 Roberto Carlos est revenu à
6 Enquête en cours sur le mouvement du football
7 Comment courber un ballon de football
8 Le dernier coup de sifflet
9 questions sur la pression et les ballons de football
9.1 Comment la quantité d'air contenue dans un ballon de football influence-t-elle la distance qu'il s'aventure lorsqu'il est frappé par une puissance similaire
9.2 La tension gazeuse barométrique a-t-elle un impact sur la distance parcourue par un ballon de football lorsqu'il est frappé par une puissance similaire
9.3 Quelle quantité de tension gazeuse serait-il judicieux de placer dans un ballon de football
9,4 BAR ou PSI ou LBS
9.5 Comment gonfler mes ballons de football
9.6 Pourquoi dois-je généralement siphonner des balles même coûteuses
9.7 Pourquoi certains ballons de football grossissent-ils après un certain temps
9.8 Questions sur la physique des matériaux des ballons de football
9.9 Questions sur la courbure d'un ballon de football

La physique du ballon de football

Charge Shankly, l'ancien administrateur du club de football de Liverpool, a déclaré un jour : “Le football n'est pas une question de désespoir. C'est une priorité plus élevée que cela.” Ce mois-ci, lors de la Coupe du Monde en France, un grand nombre de fans de football bénéficieront de cette inclination équivalente pendant quelques semaines. Puis, à ce moment-là, l’événement sera terminé, et il ne restera que quelques rediffusions à la télévision et l’hypothèse perpétuelle sur ce qui aurait pu se passer.

Cette partie du football que ses fans adorent et que d’autres dédaignent. Imaginez un scénario dans lequel cette punition aurait été appliquée. Imaginez un scénario dans lequel le joueur n'aurait pas été expulsé. Imaginez un scénario dans lequel ce coup franc n’aurait pas contourné le mur et marqué un but.

De nombreux supporters se souviendront du coup franc tiré par le Brésilien Roberto Carlos lors d'une compétition en France l'été précédent. Le ballon a été placé à environ 30 m du but de son rival et un peu sur le côté. Carlos a frappé la balle si loin vers la droite qu'elle a d'abord libéré le mur des protections d'environ un mètre et a fait baisser la tête à un gamin qui se trouvait à quelques mètres de l'objectif. Puis, mystérieusement, le ballon s'est courbé vers la gauche et est entré dans le coin supérieur droit du but – au grand étonnement des joueurs, du gardien et des médias.

Visiblement, Carlos répétait constamment ce coup de pied sur le terrain de préparation. Il savait naturellement plier la balle en la frappant à une vitesse et avec une torsion spécifiques. Cependant, il ne connaissait probablement pas la science matérielle derrière tout.

Aérodynamique des ballons de sport

La principale clarification de la redirection horizontale d'un objet tournant a été attribuée par Seigneur Rayleigh aux travaux effectués par le physicien allemand Gustav Magnus en 1852. Magnus avait en fait tenté de comprendre pourquoi les obus et les projectiles devaient être évités, mais sa clarification s'applique également aux balles. Bien sûr, le système de clé d'une balle pliante dans le football est pratiquement équivalent à celui de différents jeux comme le baseball, le golf, le cricket et le tennis.

Balle qui tourne

Considérons une balle qui tourne autour d'un pivot opposé à la progression de l'air à travers elle (voir à gauche). L'air sort plus rapidement que le point focal de la balle où la frange de la balle se déplace dans une direction similaire à celle du courant du vent. Cela diminue la tension, selon la ligne directrice de Bernouilli.

L'impact contraire se produit sur le côté opposé de la balle, où l'air sort plus lentement que le point focal de la balle. Il y a ainsi un déséquilibre dans les puissances et la balle dévie – ou, comme le disait Sir J Thomson en 1910, “ la balle suit son nez ”. Cette redirection horizontale d’une balle en vol est pour la plupart connue sous le nom d“” impact Magnus ».

Les puissances exercées sur une balle en rotation qui vole dans les airs sont généralement divisées en deux types : une force de portance et une force de traînée. La force de levage est la force vers le haut ou vers le côté qui est responsable de l'impact Magnus. La force de traînée agit dans l’autre sens par rapport à la balle.

Permettez-nous de calculer les puissances à l’œuvre sur un coup franc très exécuté. En supposant que la vitesse de la balle soit de 25 à 30 ms-1 (environ 70 mph) et que la torsion soit d'environ 8 à 10 cycles par seconde, la force de portance finit par être d'environ 3,5 N.

Les directives indiquent qu'un ballon de football expert doit avoir une masse de 410 à 450 g, ce qui implique qu'il avance d'environ 8 ms-2. De plus, étant donné que la balle serait en voyage pendant 1 s sur sa direction de 30 m, la puissance de portance pourrait faire dévier la balle de 4 m de sa trajectoire en ligne droite généralement attendue. De quoi gêner n’importe quel gardien !

La force de traînée, FD, sur une balle augmente avec le carré de la vitesse, v, en s'attendant à ce que l'épaisseur, r, de la balle et sa région transversale, A, restent inchangées : FD = CDrAv2/2. Il s’avère en tout cas que le “ coefficient de traînée ”, CD, dépend également de la vitesse de la balle.

Par exemple, si nous traçons le coefficient de traînée en fonction du nombre de Reynold – une limite non superposée équivalente à rv D/µ, où D est la largeur de la balle et µ est la consistance cinématique de l'air – nous constatons que le coefficient de traînée chute de manière inattendue lorsque le courant du vent sur la couche externe de la balle passe d'être lisse et laminaire à violent (voir à droite).

Lorsque le courant du vent est laminaire et le coefficient de traînée est élevé, la couche limite d'air sur la couche externe de la balle “ s'isole ” modérément juste au moment où elle circule sur la balle, créant ensuite des tourbillons. Quoi qu'il en soit, lorsque le courant de vent est violent, la couche limite adhère plus longtemps au ballon. Cela produit une partition tardive et un peu de traînée.

Le nombre de Reynolds auquel le coefficient de traînée chute de cette manière dépend du caractère désagréable de la surface de la balle. Par exemple, les balles de golf, qui sont intensément alvéolées, ont une surface très désagréable et le coefficient de traînée chute à un nombre de Reynold modérément faible (~ 2 x 104). Cependant, un ballon de football est plus fluide qu’une balle de golf et la progression de base est atteinte à un nombre de Reynold beaucoup plus élevé (~ 4 x 105).

Traînée contre vitesse

La conséquence de ceci est qu'un football lent se heurte à une puissance gênante assez élevée. Pourtant, dans le cas où vous parvenez à provoquer un chahut autour de la ville assez rapidement pour que le vent qui la traverse soit tumultueux, la balle rencontre un peu de force gênante (voir à droite).

Un football rapide présente ainsi une double difficulté pour un gardien de but souhaitant effectuer un arrêt : outre le fait que le ballon se déplace à grande vitesse, il ne recule pas non plus autant que cela pourrait être normal. Peut-être que les meilleurs gardiens de but voient instinctivement plus de science des matériaux pour les ballons de football qu’ils ne le comprennent.

En 1976, Peter Bearman et ses associés de l'Imperial College de Londres ont réalisé une série d'examens exemplaires sur des balles de golf. Ils ont découvert que l’augmentation de la torsion d’une balle créait un coefficient de portance plus élevé et donc une force Magnus plus importante. Quoi qu'il en soit, l'augmentation de la vitesse à une torsion donnée diminuait le coefficient de portance.

La façon dont cela affecte un ballon de football est qu'une balle lente avec beaucoup de torsion aura une force latérale plus importante qu'une balle rapide avec une torsion similaire. Ainsi, à mesure qu’une balle revient vers la fin de sa direction, le virage devient plus articulé.

Roberto Carlos revisité

Quel sens tout cela donne-t-il au coup franc tiré par Roberto Carlos ? Même si nous ne pouvons pas en être complètement certains, la prochaine étape sera probablement une clarification de ce qui s’est passé.

Carlos a frappé le ballon avec le ballon au-delà de sa passe en marchant pour le faire tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre alors qu'il le regardait. Les conditions étaient sèches, donc la torsion qu'il donnait au ballon était élevée, peut-être au nord de 10 cycles par seconde. Le frapper avec le pied au-delà de son pied lui a permis de faire bouger les choses dans la ville, probablement au nord de 30 ms-1 (70 mph).

La progression de l'air sur la couche externe de la balle était féroce, ce qui donnait à la balle une traînée modérément faible. D’une certaine manière – peut-être autour de l’empreinte de 10 m (ou à peu près à l’endroit où se trouve la masse de protecteurs) – la vitesse de la balle a diminué dans le but final d’entrer dans le système de flux laminaire.

Cela a considérablement élargi la capacité de traînée, ce qui l'a retardé beaucoup plus. Cela a permis à la force latérale de Magnus, qui tournait le ballon vers l'objectif, d'avoir un impact beaucoup plus important. En s'attendant à ce que la torsion n'ait pas pourri excessivement, le coefficient de traînée a alors augmenté.

Cela présentait une force latérale beaucoup plus importante et faisait tourner davantage la balle. Finalement, à mesure que le ballon reculait, la courbe s'est avérée encore plus exagérée (peut-être à cause de l'expansion du coefficient de portance) jusqu'à ce qu'elle touche le fond du filet – suscitant sans aucun doute beaucoup de plaisir pour les physiciens du groupe.

Enquête Flow sur le mouvement du football

Il y a autre chose dans la recherche sur le football que de se concentrer essentiellement sur le mouvement du ballon en vol. Les spécialistes souhaitent également comprendre comment un footballeur frappe réellement un ballon. Par exemple, Stanley Plagenhof, de l’Université du Massachusetts aux États-Unis, s’est concentré sur la cinématique du coup de pied, ignorant somme toute les puissances en question. Différents analystes, comme Elizabeth Roberts et ses associés de l'Université du Wisconsin, ont procédé à des examens uniques des coups de pied, en tenant compte des pouvoirs en question.

Ces méthodologies exploratoires ont produit quelques résultats fantastiques, même si de nombreuses difficultés subsistent. L’un des problèmes les plus fondamentaux est la difficulté d’estimer le mouvement réel des personnes, en partie parce que leurs évolutions sont si excentriques. Néanmoins, les progrès en cours dans l'examen du mouvement avec des ordinateurs se démarquent définitivement dans la science du sport et, avec l'aide de nouvelles techniques logiques, il est actuellement concevable de réaliser des estimations raisonnablement exactes du mouvement humain.

Par exemple, deux des créateurs (TA et TA) et un groupe d'exploration de l'Université de Yamagata au Japon ont utilisé une méthodologie logique informatique combinée aux stratégies dynamiques les plus habituelles pour imiter la manière dont les joueurs frappent un ballon. Ces reconstitutions ont permis de créer des joueurs de football “ virtuels ” de différents types – des novices aux jeunes enfants en passant par les experts – pour jouer en réalité virtuelle sur PC.

Les producteurs d'équipements de sport, par exemple ASICS Corporation, qui soutiennent le projet Yamagata, s'inspirent également de ce travail. Ils souhaitent utiliser les résultats pour concevoir des équipements sportifs plus sûrs et de meilleure exécution, qui peuvent être fabriqués plus rapidement et plus financièrement que les articles existants.

Comment courber un ballon de football

Le développement des joueurs a été suivi en utilisant une vidéo rapide à 4 500 bords par seconde, et l'effet du pied prêt a ensuite été pris en compte avec un examen limité des composants.

Les essais sous-jacents ont démontré ce que la plupart des footballeurs savent : en supposant que vous frappiez le ballon directement avec votre cou-de-pied afin que le pied fasse bouger les choses dans la ville en fonction du point focal de gravité du ballon, le ballon s'envole de manière ordonnée. Dans tous les cas, en supposant que vous tapiez le ballon avec l'avant du pied et avec la pointe entre la jambe et le pied à 90° (voir à gauche), il se pliera en vol. Dans cette situation, l’effet est asymétrique. Cela fait que la puissance appliquée se transforme en force, ce qui donne par conséquent une torsion à la balle.

Les résultats exploratoires ont également montré que la torsion obtenue par le ballon est étroitement liée au coefficient de réseau entre le pied et le ballon, ainsi qu’à la distance de décalage du pied par rapport au point focal de gravité du ballon.

Un modèle à composants limités de l'effet de la préparation du pied, composé avec la programmation DYTRAN et PATRAN de MacNeal Schwendler Corporation, a été utilisé pour examiner mathématiquement ces événements. Cette étude a montré qu'une expansion du coefficient de broyage entre le ballon et le pied rendait le ballon plus vrillé. Il y avait également plus de torsion en supposant que la position décalée était plus éloignée du point focal de gravité.

Deux autres impacts fascinants ont été remarqués. En premier lieu, dans le cas où la distance de décalage s'agrandissait, le pied touchait le ballon pendant un laps de temps plus limité et sur une zone plus modeste, ce qui entraînait une diminution de la torsion et de la vitesse du ballon. Il existe donc un endroit idéal pour faire du grabuge en ville au cas où vous auriez besoin d'une torsion la plus extrême : en supposant que vous frappiez la balle trop près ou trop loin du point focal de gravité, elle ne prendra aucune torsion.

L'autre impact fascinant est que, que le coefficient de contact soit nul ou non, la balle gagne en réalité une certaine torsion en supposant que vous la frappez avec un décalage par rapport à son point focal de gravité. Bien que dans cette situation il n'y ait pas de force marginale alignée sur le circuit de la balle (puisque le coefficient d'érosion est nul), la balle se défigure par la suite vers son milieu, ce qui fait agir une certaine puissance autour du point focal de gravité. Il est donc concevable de faire tourner un ballon de football par temps venteux, même si la torsion sera considérablement moindre que si les conditions étaient sèches.

L’enquête se heurte évidemment à quelques obstacles. L’air à l’extérieur du ballon a été négligé et on s’attendait à ce que l’air à l’intérieur du ballon agisse selon un modèle de flux liquide compressif et gluant. Dans un monde parfait, l'air à l'intérieur et à l'extérieur du ballon devrait être incorporé et les viscosités affichées en utilisant les conditions de Navier-Stokes.

On s'attendait également à ce que le pied soit homogène, alors qu'il est clair qu'un pied authentique est considérablement plus alambiqué que cela. Malgré le fait qu'il serait difficile d'élaborer un modèle idéal prenant en compte chaque composant, ce modèle intègre les principaux points forts.

En planifiant à l'avance, deux d'entre nous (TA et TA) envisagent également d'explorer l'impact de différents types de chaussures sur la frappe d'un ballon. En attendant, ASICS associe les reproductions de composants limitées de Yamagata à la biomécanique, à la physiologie et à la science des matériaux pour créer de nouveaux types de chaussures de football. Finalement, quoi qu’il en soit, c’est le footballeur qui fait l’effet – et sans capacité, l’innovation ne sert à rien.

Le dernier coup de sifflet

Alors, que pourrions-nous à tout moment gagner de Roberto Carlos ? En supposant que vous frappez suffisamment le ballon pour que le vent sur la surface devienne violent, la force de traînée reste faible et le ballon volera réellement. En supposant que vous pensez que la balle doit se plier, donnez-lui beaucoup de torsion en vous concentrant. C'est plus simple par temps sec que par temps pluvieux, mais cela devrait dans tous les cas être possible sans se soucier des conditions.

La balle se pliera le plus lorsqu'elle reviendra dans le système de flux laminaire, vous devez donc vous entraîner pour vous assurer que ce changement se produit parfaitement localisé – par exemple, peu de temps après que la balle a passé un mur de protection. Si les conditions sont humides, vous pouvez toujours vous relayer, mais vous seriez dans une situation idéale pour sécher le ballon (et vos chaussures).

Il y a presque un certain temps, J Thomson a donné une conférence à la Royal Institution de Londres sur les éléments des balles de golf. Il est cité comme disant ce qui suit : “ Au cas où nous pourrions reconnaître les clarifications sur la façon de se comporter de la balle données par de nombreux partisans des écrits exceptionnellement volumineux qui se sont rassemblés autour du jeu… Je devrais avoir besoin d'apporter devant vous ce soir d'autres éléments et de déclarer que la matière, lorsqu'elle est transformée en balles [de golf], est conforme aux lois d'une personne tout à fait unique parmi ceux qui supervisent son activité dans d'autres circonstances.”

Dans le football, en tout cas, nous pouvons être assurés que les choses ont continué.

Une lecture plus approfondie

Monde de la physique

CB Daish 1972 La physique des jeux de balle (The English University Press, Londres)

SJ Haake (éd.) 1996 L'ingénierie du sport (A Balkema, Rotterdam)

R D Mehta 1985 Aérodynamique des ballons de sport Ann. Allumez. Mécanique liquide. 17 151-189

Demandes de renseignements concernant la pression et les ballons de football

Comment la quantité d'air contenue dans un ballon de football influence-t-elle la distance qu'il s'aventure lorsqu'il est frappé par une puissance similaire

La quantité d’air ou de tension gazeuse dans un ballon de football a un impact sur la distance parcourue par le ballon lorsqu’il est frappé par une puissance similaire. La force pneumatique plus élevée exercée sur un ballon de football agit sur le rebond du ballon sur le pied d’un joueur. Plus d'énergie est transférée vers une balle “ solide ” lors d'un crash flexible. Dans l’ensemble, la balle se déforme moins pendant l’effet, donc moins d’énergie est perdue lors de la torsion.

La contrainte pneumatique barométrique a-t-elle un impact sur la distance parcourue par un ballon de football lorsqu'il est frappé par une puissance similaire

La force pneumatique de l’air (l’air entourant la balle) joue également un rôle dans la distance parcourue par la balle. À une pression plus basse, il y a moins de contact avec l’air. Vous pouvez comparer cela avec le fait de frapper le ballon dans un réservoir d'eau et de frapper le ballon sur la lune. Les balles vont plus loin à haute hauteur en raison de la diminution de la traînée de l'air, qui est plus mince à mesure que l'on monte plus haut. Il existe donc une situation dans laquelle une contrainte pneumatique “ diminuée ” fait avancer la balle plus loin.

De plus, les matériaux à partir desquels le ballon de football est fabriqué ont un impact sur la distance parcourue par le ballon… mais c'est une autre enquête et un autre essai.

Quelle quantité de contrainte pneumatique serait-ce une bonne idée que je place dans un ballon de football

Utiliser une pression d’air appropriée Ne pas finir ou sous-compresser une balle. Utilisez la contrainte pneumatique suggérée par la marque qui est imprimée sur la plupart des balles. La plupart des ballons de football ont une capacité de contrainte de 6 à 8 livres. ou alors encore 0,6 ou 0,8 BAR. Il est suggéré d'utiliser un contrôle de contrainte pour quantifier la mesure spécifique de tension dans une balle après son expansion et avant utilisation.

BAR ou PSI ou LBS

Certains ballons de football ont des valeurs de pression suggérées démontrées en BAR tandis que d'autres ont les qualités affichées en PSI ou LBS. Pour modifier les qualités de tension, utilisez les formules ci-jointes :Pour convertir BAR (KGS) en PSI (Lbs.):Réponse = 14,5037 X combien de BAR(KGS)Pour le modèle : Un ballon de football porte une souche suggérée de 0,6 BAR. Pour changer la BAR en livres par pouce carré (PSI), dupliquez 0,6 fois 14,5037. La réponse est de 8,7 PSI ou Lbs.Pour convertir PSI (Lbs.) en BAR(KGS):Réponse = 0,068948 X combien de PSI(Lbs.)Pour le modèle : Un ballon de football a une tension suggérée de 7,9 lb. (PSI) marqué dessus. Pour convertir les livres par pouce carré (PSI) en BAR, dupliquez 7,9 fois 0,068948. La réponse est de 0,545 BAR.

Comment gonfler mes ballons de football

Les ballons de football perdent leur force pneumatique à long terme. Dans certains cas, au-delà de quelques jours (les ballons de football utilisant des vessies en butyle conservent la force pneumatique plus longtemps que les ballons utilisant des vessies en plastique). Assurez-vous de vérifier souvent la tension pour vous assurer que la balle est correctement dilatée. Par conséquent, placez des ressources dans un siphon à bille décent, disposez d'un stock d'aiguilles d'expansion et utilisez un contrôle à basse tension pour quantifier une expansion légitime. Avant de gonfler un ballon de football, deux ou trois gouttes d'huile de silicone ou douche d'huile de silicone ou d'huile de glycérine dans la valve.

Vous pouvez acheter l’une des huiles ou prendre une douche dans votre magasin de rénovation domiciliaire de quartier. L'utilisation de l'une des graisses travaillera sur l'existence de la vanne et graissera la vanne pour un simple ajout du pointeau d'expansion. Saturez continuellement l'aiguille d'expansion avant de l'insérer dans la valve. Idéalement, utilisez de l’huile de silicone, des éclaboussures de silicone ou de l’huile de glycérine pour saturer l’aiguille. Néanmoins; un grand nombre de gens utilisent du crachat… beurk, mais ce n’est pas suggéré. Les producteurs suggèrent de diminuer la tension gazeuse dans votre balles de match après un jeu pour diminuer le poids prêt à plier ou à coudre. Assurez-vous de gonfler le ballon à la tension appropriée avant le match.

Pour quelle raison dois-je généralement siphonner des balles même coûteuses

De nombreuses balles utilisent des vessies en plastique. Caoutchouc latex ordinaire les réservoirs souples offrent la sensation et la réaction les plus douces, mais n’offrent pas le meilleur maintien de l’air. Les pores miniatures laissent progressivement l'air s'échapper. Les ballons à vessie élastique normale doivent être regonflés plus fréquemment que les ballons à vessie en butyle. En effet, même après quelques jours, la vessie en plastique libérera suffisamment d'air, vous devrez donc gonfler la balle à la pression suggérée. Quelques balles utilisent des vessies en carbone-plastique dans lesquelles la poudre de carbone aide à fermer les pores miniatures. Ballons de football avec vessies en plastique carbone pour la plupart, augmentez la maintenance de l'air à environ plusieurs semaines. Évidemment, vérifiez le ballon pour détecter toute pénétration qui pourrait faire sortir l'air. Ballons de football avec Vessies en butyle ou en PU offrent un excellent mélange de sensations et de maintien de l'air et peuvent être retrouvés dans des balles de valeur généralement centrale à supérieure. La maintenance de l'air est globalement étendue à de longues périodes plutôt qu'à des jours, contrairement aux ballons dotés de vessies en plastique.

Pour quelle raison certains ballons de football grossissent-ils après un certain temps ?

De nombreux ballons de football grossissent le plus souvent à long terme. Cela est dû à la tension de l’air dans la vessie contre les doublures et la couverture. Après un certain temps, le tissu et la couture peuvent se détendre, ce qui fait que la balle devient plus grosse. De même, une mauvaise utilisation du ballon de football peut entraîner le relâchement de la couture et l'expansion du ballon.

Demandes concernant la physique des matériaux des ballons de football

Vous pouvez consulter tous les détails sur les matériaux des ballons de football, cliquez ici

Demandes de renseignements concernant la courbure d'un ballon de football

Comment un ballon se plie-t-il lorsque vous le frappez ? Pour la réponse à cette enquête et à d’autres liées à la science matérielle d’un ballon de football courbé, cliquez ici.

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