Fysica van voetballen

Het begeleidende artikel over de natuurkunde van voetballen werd voor het eerst verspreid in Quite a while World magazine, juni 1998 pp25-27....

Inhoud

1 De fysica van de voetbal
2 Aerodynamica van sportballen
3 Draaibal
4 Luchtweerstand versus snelheid
5 Roberto Carlos keerde terug naar
6 Huidig onderzoek naar voetbalbeweging
7 Hoe een voetbal buigen
8 Het laatste fluitsignaal
9 Vragen over druk en voetballen
9.1 Hoe beïnvloedt de hoeveelheid lucht in een voetbal hoe ver de bal vliegt als hij met dezelfde kracht wordt geraakt?
9.2 Heeft de barometrische gasspanning invloed op hoe ver een voetbal reist als hij door een vergelijkbare kracht wordt geraakt?
9.3 Hoeveel gasvormige spanning kan ik het beste in een voetbal stoppen?
9,4 BAR of PSI of LBS?
9.5 Hoe laat ik mijn voetballen opzwellen?
9.6 Waarom moet ik over het algemeen zelfs kostbare ballen overhevelen?
9.7 Waarom worden sommige voetballen na een tijdje groter?
9.8 Vragen over Fysica van het Materiaal van de Voetbalbal
9.9 Vragen over het buigen van een voetbal?

De fysica van de voetbal

Charge Shankly, de vorige bestuurder van voetbalclub Liverpool, zei ooit: "Voetbal draait niet om wanhoop. Het heeft een hogere prioriteit dan dat." Deze maand, tijdens het WK in Frankrijk, zal een groot aantal voetbalfans diezelfde neiging krijgen voor een paar, korte weken. Dan is de gelegenheid voorbij en blijft er niets anders over dan een paar herhalingen op tv en de eeuwige hypothese over wat er had kunnen gebeuren.

Dit is een onderdeel van het voetbal waar de fans van houden en waar anderen een afkeer van hebben. Stel je een scenario voor waarin die straf wel was uitgevoerd. Stel je een scenario voor waarin de speler niet was weggestuurd. Stel je een scenario voor waarin die vrije trap niet om de muur was gedraaid en op doel was beland.

Veel fans zullen zich de vrije trap herinneren die de Braziliaan Roberto Carlos de vorige zomer nam in een wedstrijd in Frankrijk. De bal werd ongeveer 30 meter van het doel van zijn rivalen gelegd en iets opzij. Carlos sloeg de bal zo ver naar rechts dat de bal in eerste instantie een meter vrij kwam van de muur en een ballenjongen, die meters van het doel stond, zijn hoofd deed bukken. Toen boog de bal op mysterieuze wijze naar links en ging hij de rechterbovenhoek van het doel binnen - tot grote verbazing van de spelers, de keeper en de media.

Carlos oefende deze trap duidelijk constant op het voorbereidingsveld. Hij wist natuurlijk hoe hij de bal moest buigen door hem op een specifieke snelheid en met een specifieke draai te raken. Hij kende waarschijnlijk echter niet de materiële wetenschap achter alles.

Aerodynamica van sportballen

De primaire verduidelijking van de horizontale omleiding van een draaiend voorwerp werd toegeschreven door Lord Rayleigh naar het werk van de Duitse natuurkundige Gustav Magnus in 1852. Magnus probeerde te achterhalen waarom draaiende granaten en projectielen opzij gaan, maar zijn verklaring is net zo goed van toepassing op ballen. Het sleutelsysteem van een afbuigende bal in voetbal is vrijwel gelijk aan dat in andere spellen zoals honkbal, golf, cricket en tennis.

Spinnende bal

Stel je een bal voor die om een draaipunt draait dat tegengesteld is aan de luchtstroom die er overheen gaat (zie links). De lucht stroomt sneller naar buiten in vergelijking met het brandpunt van de bal, waar de rand van de bal in dezelfde richting beweegt als de windstroom. Dit vermindert de spanning, volgens de richtlijn van Bernouilli.

De tegenovergestelde impact vindt plaats aan de andere kant van de bal, waar de lucht langzamer naar buiten komt in vergelijking met het brandpunt van de bal. Er ontstaat op deze manier een scheefheid in de krachten en de bal draait om - of, zoals Sir J Thomson het in 1910 verwoordde, "de bal volgt zijn neus". Deze horizontale heroriëntatie van een bal tijdens de vlucht staat voor het grootste deel bekend als de "Magnus impact".

De krachten op een draaiende bal die door de lucht vliegt zijn in grote lijnen onder te verdelen in twee soorten: een liftkracht en een weerstandskracht. De liftkracht is de opwaartse of zijwaartse kracht die verantwoordelijk is voor de Magnus-impact. De luchtweerstand werkt de andere kant op, in de richting van de bal.

Laten we de krachten berekenen die werken bij een zeer veel genomen vrije schop. Ervan uitgaande dat de snelheid van de bal 25-30 ms-1 (ongeveer 70 mph) is en dat de draaiing ongeveer 8-10 cycli per seconde is, dan komt de liftkracht uit op ongeveer 3,5 N.

De richtlijnen geven aan dat een expertvoetbal een massa van 410-450 g moet hebben en dat betekent dat de bal ongeveer 8 ms-2 vooruit gaat. En omdat de bal 1 seconde onderweg is over een afstand van 30 meter, kan de liftkracht ervoor zorgen dat de bal 4 meter afwijkt van de algemeen verwachte rechte koers. Genoeg om elke keeper te hinderen!

De weerstand, FD, op een bal neemt toe met het kwadraat van de snelheid, v, ervan uitgaande dat de dikte, r, van de bal en de doorsnede, A, onveranderd blijven: FD = CDrAv2/2. Het blijkt in elk geval dat de "weerstandscoëfficiënt", CD, ook afhankelijk is van de snelheid van de kogel.

Als we bijvoorbeeld de weerstandscoëfficiënt uitzetten tegen het getal van Reynold - een niet-gelaagde grens gelijk aan rv D/µ, waarbij D de breedte van de bal is en µ de kinematische consistentie van de lucht - zien we dat de weerstandscoëfficiënt onverwacht daalt als de windstroom aan de buitenste laag van de bal verandert van glad en laminerend naar hevig (zie rechts).

Op het moment dat de windstroming laminaire is en de weerstandscoëfficiënt hoog, "isoleert" de limietlaag van lucht op de buitenste laag van de bal matig op tijd terwijl het over de bal stroomt en daarna wervelingen levert. Hoe dan ook, als de windstroom hevig is, blijft de grenslaag langer aan de bal kleven. Dit zorgt voor een late partitie en een beetje luchtweerstand.

Het Reynoldsgetal waarbij de weerstandscoëfficiënt op deze manier daalt, hangt af van de onaangenaamheid van het oppervlak van de bal. Golfballen, bijvoorbeeld, die veel putjes hebben, hebben een zeer onaangenaam oppervlak en de weerstandscoëfficiënt daalt bij een matig laag Reynoldsgetal (~ 2 x 104). Een voetbal is echter gladder dan een golfbal en de basisvooruitgang wordt bereikt bij een veel hoger Reynoldsgetal (~ 4 x 105).

Luchtweerstand versus snelheid

Het gevolg hiervan is dat een trage voetbal een wat hoge hinderende kracht ondervindt. Maar in het geval dat je snel genoeg een herrie rond de stad kunt maken zodat de wind er onstuimig overheen waait, ondervindt de bal een kleine belemmerende kracht (zie rechts).

Een snelle voetbal is op deze manier een dubbele moeilijkheid voor een keeper die een redding wil maken - naast het feit dat de bal met hoge snelheid beweegt, draait hij ook niet zoveel terug als normaal is. Misschien zien de beste keepers instinctief meer van het materiaal van de voetbal dan ze begrijpen.

In 1976 deden Peter Bearman en partners van het Imperial College in Londen een voorbeeldige serie onderzoeken op golfballen. Ze ontdekten dat het verhogen van de twist van een bal een hogere liftcoëfficiënt en dus een grotere Magnuskracht creëerde. Hoe dan ook, het vergroten van de snelheid bij een gegeven verdraaiing verminderde de liftcoëfficiënt.

Het effect hiervan op een voetbal is dat een trage bal met veel draai een grotere zijwaartse kracht heeft dan een snelle bal met een vergelijkbare draai. Dus als een bal terugdraait naar het einde van zijn richting, wordt de knik meer gearticuleerd.

Roberto Carlos opnieuw bekeken

Wat heeft dit alles te maken met de vrije trap van Roberto Carlos? Ondanks het feit dat we er niet helemaal zeker van kunnen zijn, is het volgende waarschijnlijk een eerlijke opheldering van wat er gebeurde.

Carlos schopte de bal met de voorbij zijn gepasseerde om hem tegen de klok in te laten draaien terwijl hij erop neerkeek. De omstandigheden waren droog, dus hoeveel draai hij de bal gaf was hoog, misschien wel meer dan 10 cycli per seconde. Door de bal voorbij zijn voet te schoppen, kon hij de boel in de stad flink opzwepen, waarschijnlijk met meer dan 30 ms-1 (70 mph).

De luchtstroom over de buitenste laag van de bal was hevig, waardoor de bal een matig lage luchtweerstand had. Ergens onderweg - misschien rond de 10 m afdruk (of ongeveer op de plaats van de massa beschermers) - nam de snelheid van de bal af met als einddoel dat hij het laminaire stromingssysteem binnenkwam.

Dit breidde de weerstand aanzienlijk uit, waardoor de bal aanzienlijk meer naar beneden vertraagde. Dit zorgde ervoor dat de zijwaartse Magnuskracht, die de bal naar het doel draaide, aanzienlijk meer in impact kwam. In de veronderstelling dat de verdraaiing niet buitensporig was toegenomen, werd de weerstandscoëfficiënt op dat moment groter.

Dit zorgde voor een veel grotere zijwaartse kracht en deed de bal verder draaien. Uiteindelijk, toen de bal terugzakte, bleek de curve nog meer overschat te zijn (misschien door de uitbreiding in de liftcoëfficiënt) totdat de bal de achterkant van het net raakte - wat ongetwijfeld voor veel plezier zorgde bij de natuurkundigen in de groep.

Flow-onderzoek naar voetbalbeweging

There is something else to football research besides basically concentrating on the movement of the ball in flight. Specialists are likewise keen on figuring out how a footballer really kicks a ball. For instance, Stanley Plagenhof of the University of Massachusetts in the US has concentrated on the kinematics of kicking – all in all, overlooking the powers in question. Different analysts, like Elizabeth Roberts and associates at the University of Wisconsin, have done unique examinations of kicking, considering the powers in question.

These exploratory methodologies have created a few fantastic outcomes, albeit many difficulties actually remain. One of the most basic issues is the trouble of estimating the actual movement of people, part of the way on the grounds that their developments are so eccentric. Nonetheless, ongoing advances in examining movement with PCs definitely stand out in sports science, and, with the assistance of new logical techniques, making sensibly exact estimations of human motion is currently conceivable.

For instance, two of the creators (TA and TA) and an exploration group at Yamagata University in Japan have utilized a computational logical methodology combined with the more customary dynamical strategies to mimic the manner in which players kick a ball. These reenactments have empowered the making of “virtual” soccer players of different sorts – from novices and small kids to experts – to play in virtual reality on the PC.

Athletic gear producers, for example, the ASICS Corporation, who are supporting the Yamagata project, are additionally inspired by the work. They desire to utilize the outcomes to plan more secure and better execution athletic gear that can be made quicker and more monetarily than existing items.

How To Curve A Soccer Ball

The development of players was followed utilizing rapid video at 4500 edges each second, and the effect of the foot ready was then considered with limited component examination.

The underlying trials demonstrated what most footballers know: assuming you strike the ball straight on with your instep so the foot stirs things up around town in accordance with the ball’s focal point of gravity, then the ball shoots off in an orderly fashion. In any case, assuming you kick the ball with the front of your foot and with the point between your leg and foot at 90° (see left), it will bend in flight. For this situation, the effect is askew. This makes the applied power go about as a force, which consequently gives the ball a twist.

The exploratory outcomes likewise showed that the twist got by the ball is firmly connected with the coefficient of grating between the foot and the ball, and to the offset distance of the foot from the ball’s focal point of gravity.

A limited component model of the effect of the foot ready, composed with DYTRAN and PATRAN programming from the MacNeal Schwendler Corporation, was utilized to examine these occasions mathematically. This study showed that an expansion in the coefficient of grinding between the ball and the foot made the ball get more twist. There was likewise more twist assuming the offset position was further from the focal point of gravity.

Two other fascinating impacts were noticed. In the first place, in the event that the offset distance expanded, the foot contacted the ball for a more limited time frame and over a more modest region, which prompted both the twist and the speed of the ball to diminish. There is hence an ideal spot to raise a ruckus around town on the off chance that you need most extreme twist: assuming you hit the ball excessively close or excessively far from the focal point of gravity, it won’t gain any twist whatsoever.

The other fascinating impact was that regardless of whether the coefficient of contact is zero, the ball actually gains some twist assuming you kick it with an offset from its focal point of gravity . Albeit for this situation there is no fringe force lined up with the circuit of the ball (since the coefficient of erosion is zero), the ball by the by disfigures towards its middle, which makes some power act around the focal point of gravity. It is thusly conceivable to turn a football on a blustery day, albeit the twist will be considerably less than if conditions were dry.

Obviously, the investigation has a few impediments. The air outside the ball was overlooked, and it was expected that the air inside the ball acted by a compressive, gooey liquid stream model. In a perfect world, the air both inside and outside the ball ought to be incorporated, and the viscosities displayed utilizing Navier-Stokes conditions.

It was likewise expected that the foot was homogeneous, when clearly a genuine foot is considerably more convoluted than this. Despite the fact that it would be difficult to make an ideal model that considered each component, this model incorporates the main highlights.

Planning ahead, two of us (TA and TA) likewise plan to explore the impact of various kinds of footwear on the kicking of a ball. In the interim, ASICS is joining the Yamagata limited component reproductions with biomechanics, physiology and materials science to configuration new sorts of football boots. Eventually, be that as it may, the footballer has the effect – and without capacity, innovation is useless.

The last whistle

So what could we at any point gain from Roberto Carlos? Assuming that you kick the ball sufficiently for the wind stream over the surface to become fierce, then the drag force stays little and the ball will truly fly. Assuming you believe that the ball should bend, give it heaps of twist by getting along focus. This is more straightforward on a dry day than on a wet day, however should in any case be possible paying little mind to conditions.

The ball will bend most when it dials back into the laminar stream system, so you want to practice to ensure that this change happens perfectly located – for instance, soon after the ball has passed a protective wall. On the off chance that conditions are wet, you can in any case get turn, however you would be in an ideal situation drying the ball (and your boots).

Almost quite a while back J Thomson gave a talk at the Royal Institution in London on the elements of golf balls. He is cited as saying the accompanying: “On the off chance that we could acknowledge the clarifications of the way of behaving of the ball given by numerous supporters of the exceptionally voluminous writing which has gathered around the game… I ought to need to bring before you tonight another elements, and declare that matter, when made up into [golf] balls complies with laws of an altogether unique person from those overseeing its activity when in some other circumstances.”

In football, at any rate, we should rest assured that things have continued on.

Further perusing

Physics world

C B Daish 1972 The Physics of Ball Games (The English University Press, London)

S J Haake (ed) 1996 The Engineering of Sport (A Balkema, Rotterdam)

R D Mehta 1985 Aerodynamics of sports balls Ann. Fire up. Liquid Mech. 17 151-189

Inquiries regarding Pressure and Soccer Balls

9.1 Hoe beïnvloedt de hoeveelheid lucht in een voetbal hoe ver de bal vliegt als hij met dezelfde kracht wordt geraakt?

How much air or gaseous tension in a soccer ball impacts how far the ball will travel when struck by a similar power. The higher pneumatic force that is placed into a soccer ball works on the ball’s bounce back off the foot of a player. More energy is moved to a “solid” ball in a flexible crash. All in all, the ball misshapes less during the effect, so there’s less energy lost to twisting.

Does the barometrical pneumatic stress impact how far a soccer ball ventures when struck by a similar power?

The air pneumatic force (the air encompassing the ball) likewise assumes a part in how far a ball voyages. At lower pressure, there’s less air contact. You can contrast it with kicking the ball in a tank of water to kicking the ball on the moon. Balls go farther at high height in view of the diminished drag from the air, which is more slender as you go higher up. So there’s a situation where “diminished” pneumatic stress makes the ball go farther.

Additionally, the materials that the soccer ball is made from impacts how far the ball will travel… yet that is another inquiry and trial.

How much pneumatic stress would it be a good idea for me to place into a soccer ball?

Utilize Proper Air Pressure Do not finished or under compress a ball. Utilize the makes suggested pneumatic stress that is imprinted on most balls. Most soccer balls have a strain rating of 6 to 8 lbs. or then again 0.6 or 0.8 BAR. It is suggested that you utilize a strain check to quantify the specific measure of tension in a ball subsequent to expanding and before use.

BAR or PSI or LBS?

Some soccer balls have suggested pressure values demonstrated in BAR while others have the qualities shown in PSI or LBS. To change over the tension qualities, utilize the accompanying formulas:To convert BAR (KGS) to PSI (Lbs.):Answer = 14.5037 X how much BAR(KGS)For model: A soccer ball has a suggested strain of 0.6 BAR named on it. To change over BAR in Pounds Per Square Inch (PSI), duplicate 0.6 times 14.5037. The response is 8.7 PSI or Lbs.To convert PSI (Lbs.) to BAR(KGS):Answer = .068948 X how much PSI(Lbs.)For model: A soccer ball has a suggested strain of 7.9 Lbs. (PSI) marked on it. To change over Pounds Per Square Inch (PSI) into BAR, duplicate 7.9 times .068948. The response is 0.545 BAR.

How Do I swell my soccer balls?

Soccer balls lose pneumatic force over the long run. In some cases north of a couple of days (soccer balls that utilization butyl bladders keep pneumatic force longer than balls that utilization plastic bladders). Make certain to check the strain often to ensure the ball is appropriately expanded. Hence, put resources into a decent ball siphon, have a stock of expansion needles and utilize a low tension check to quantify for legitimate expansion. Before you initially blow up a soccer ball, two or three drops of silicone oil or silicone oil shower or glycerin oil into the valve.

You can buy one of the oils or shower at your neighborhood home improvement shop. Utilizing one of the greases will work on the existence of the valve and grease up the valve for simple addition of the expansion needle. Continuously saturate the expansion needle before you embed it into the valve. Ideally, utilize some silicon oil, silicon splash or glycerin oil to saturate the needle. Nonetheless; a great many people use spit… yuk, however that isn’t suggested. Producers suggest that you lessen the gaseous tension in your match balls after a game to diminish how much weight ready creases or sewing. Make certain to swell the ball back to appropriate tension before the match.

For what reason do I generally need to siphon up even costly balls?

Many balls use bladders made from plastic. Regular Latex Rubber bladders offer the gentlest feel and reaction, however don’t give the best air maintenance. Miniature pores gradually let air escape. Balls with normal elastic bladders should be re-swelled more frequently than balls with butyl bladders. Indeed, even following a couple of days, the plastic bladder will release sufficient air so you should swell the ball back to suggested pressure. A few balls use carbon-plastic bladders in which the carbon powder assists with shutting the miniature pores. Soccer balls with carbon plastic bladders for the most part increment air maintenance to roughly multi week. Obviously, check the ball for penetrates that might make the air spill out.Soccer Balls with Butyl bladders or PU bladders offer a great mix of feel and air maintenance and can be tracked down in generally center to upper valued balls. Air maintenance is altogether expanded to long stretches of time rather than days contrasted with balls with plastic bladders.

For what reason do some soccer balls get greater after some time?

Numerous soccer balls truly do will more often than not get bigger over the long run. This is because of the tension of the air in the bladder against the linings and cover. After some time the material and sewing might loosen up making the ball become bigger. Likewise, soccer ball misuse might make the sewing release and the ball to exp

Inquiries regarding Soccer Ball Material Physics

You can check full details about soccer ball materials, click here

Inquiries concerning Curving a Soccer Ball?

How does a ball bend when you kick it? For the response to this inquiry and others connecting with the material science of a bending soccer ball, click here.

Als je op zoek bent naar een fabrikant van OEM-producten voor grote hoeveelheden FPP, neem dan contact met ons op: Contact Pagina