Fizica mingii de fotbal

Articolul însoțitor care explorează știința fizicii mingii de fotbal a fost distribuit pentru prima dată în revista Quite a while World, iunie 1998, pp25-27....

Cuprins

1 Fizica mingii de fotbal
2 Aerodinamica mingilor de sport
3 Minge care se învârte
4 Trageți versus viteză
5 Roberto Carlos s-a întors la
6 Investigație curentă asupra mișcării fotbalistice
7 Cum să curbați o minge de fotbal
8 Ultimul fluier
9 întrebări despre presiune și mingi de fotbal
9.1 Cum influențează cât de mult aer dintr-o minge de fotbal cât de departe se aventurează atunci când este lovită de o putere similară
9.2 Tensiunea gazoasă barometrică influențează cât de departe parcurge o minge de fotbal când este lovită de o putere similară
9.3 Câtă tensiune gazoasă ar fi o idee bună să pun într-o minge de fotbal
9,4 BAR sau PSI sau LBS
9.5 Cum îmi umfle mingile de fotbal
9.6 De ce, în general, trebuie să sifon chiar și bile scumpe
9.7 De ce unele mingi de fotbal devin mai mari după ceva timp
9.8 Întrebări despre fizica materialului mingii de fotbal
9.9 Întrebări despre curbarea unei mingi de fotbal

Fizica mingii de fotbal

Charge Shankly, fostul administrator al clubului de fotbal Liverpool, a spus odată: “Fotbalul nu este despre disperare. Este o prioritate mai mare decât asta”. Luna aceasta, la Cupa Mondială din Franța, un număr mare de fani ai fotbalului vor primi acea înclinație echivalentă timp de câteva săptămâni. Apoi, în acel moment, ocazia va fi încheiată, și nu va rămâne decât câteva reluări la televizor și ipoteza perpetuă despre ceea ce s-ar fi putut întâmpla.

Această parte a fotbalului fanii săi o iubesc, iar alții o disprețuiesc. Imaginați-vă un scenariu în care a intrat acea pedeapsă. Imaginați-vă un scenariu în care jucătorul nu a fost expediat. Imaginați-vă un scenariu în care acea lovitură liberă nu s-ar fi răsucit în jurul peretelui și a intrat după un obiectiv.

Mulți fani își vor aminti de lovitura liberă executată de brazilianul Roberto Carlos într-o competiție din Franța în vara precedentă. Mingea a fost pusă la aproximativ 30 m de obiectivul rivalilor săi și oarecum într-o parte. Carlos a lovit mingea atât de lungă spre dreapta, încât la început a eliberat peretele de garanții practic cu un metru și l-a făcut pe un copil, care stătea la câțiva metri de obiectiv, să-și plece capul. Apoi, în mod misterios, mingea s-a îndoit spre stânga și a intrat în colțul din dreapta sus al obiectivului – spre uimirea jucătorilor, a portarului și a presei la fel.

În mod clar, Carlos a repetat această lovitură în mod constant pe terenul de pregătire. El a știut în mod natural să îndoaie mingea lovind-o cu o anumită viteză și cu o anumită răsucire. Cu toate acestea, probabil că nu cunoștea știința materială din spatele tuturor.

Aerodinamica mingilor de sport

Clarificarea primară a redirecționării orizontale a unui obiect care se rotește a fost atribuită de Lordul Rayleigh la lucrările efectuate de fizicianul german Gustav Magnus în 1852. Magnus a încercat cu adevărat să decidă de ce să se evite întoarcerea obuzelor și proiectilelor, totuși clarificarea sa se aplică la fel de bine și mingilor. Cu siguranță, sistemul cheie al unei mingi de îndoit în fotbal este practic echivalent cu în diferite jocuri precum baseball, golf, cricket și tenis.

Minge care se învârte

Luați în considerare o minge care se rotește în jurul unui pivot opus progresiei aerului peste ea (vezi stânga). Aerul iese mai repede în comparație cu punctul focal al mingii unde marginea mingii se mișcă într-un rulment similar cu curentul vântului. Acest lucru scade tensiunea, conform ghidului lui Bernouilli.

Impactul contrar are loc pe partea opusă a mingii, unde aerul iese mai lent în comparație cu punctul focal al mingii. Există în acest fel o dezamăgire a puterilor și mingea se deturnează – sau, așa cum a spus Sir J Thomson în 1910, “mingea își urmează nasul”. Această redirecționare orizontală a unei mingi în zbor este în cea mai mare parte cunoscută sub numele de “impactul Magnus”.

Puterile unei mingi care se rotesc care zboară prin aer sunt în mare parte împărțite în două tipuri: o forță de ridicare și o forță de tracțiune. Forța de ridicare este forța în sus sau în lateral care răspunde de impactul Magnus. Forța de tracțiune acționează în sens invers față de direcția mingii.

Permite-ne să calculăm puterile la locul de muncă într-o lovitură liberă foarte mult luată. Așteptându-ne că viteza mingii este de 25-30 ms-1 (aproximativ 70 mph) și că răsucirea este de aproximativ 8-10 cicluri în fiecare secundă, atunci forța de ridicare ajunge să fie în jur de 3,5 N.

Orientările exprimă că un fotbal de expert ar trebui să aibă o masă de 410-450 g, iar asta implică că avansează cu aproximativ 8 ms-2. De asemenea, deoarece mingea ar fi în deplasare timp de 1 s pe direcția ei de 30 m, puterea de ridicare ar putea face mingea să se îndepărteze cu oricât de mult 4 m față de cursul în linie dreaptă așteptat în general. Suficient pentru a deranja orice portar!

Forța de antrenare, FD, asupra unei bile crește cu pătratul vitezei, v, așteptând ca grosimea, r, a bilei și regiunea sa transversală, A, să rămână nealterate: FD = CDrAv2/2. Se arată, în orice caz, că “coeficientul de tragere”, CD, se bazează în plus pe viteza mingii.

De exemplu, în cazul în care reprezentăm coeficientul de rezistență în raport cu numărul lui Reynold – o limită nestratificată echivalentă cu rv D/µ, unde D este lățimea mingii și µ este consistența cinematică a aerului – aflăm că coeficientul de rezistență scade în mod neașteptat atunci când curentul vântului din stratul exterior al bilei se schimbă de la a fi neted și drept laminator.

În punctul în care curentul vântului este laminar și coeficientul de rezistență este mare, stratul limită de aer de pe stratul exterior al mingii “izolează” moderat la timp, pe măsură ce curge peste minge, producând vârtejuri după aceea. Oricum ar fi, atunci când vântul este puternic, stratul limită aderă mai mult timp la minge. Acest lucru produce o partiție întârziată și o mică glisare.

Numărul lui Reynold la care coeficientul de rezistență scade în acest mod se bazează pe neplăcerea suprafeței mingii. De exemplu, mingile de golf, care sunt intens gropite, au o suprafață neplăcută foarte mare, iar coeficientul de rezistență scade la un număr Reynold moderat scăzut (~ 2 x 104). Cu toate acestea, o minge de fotbal este mai netedă decât o minge de golf și progresul de bază este atins la un număr mult mai mare al lui Reynold (~ 4 x 105).

Drag vs Speed

Consecința acestui lucru este tot ceea ce un fotbal lent întâmpină o putere de împiedicare oarecum mare. Totuși, în cazul în care puteți ridica un zgomot în jurul orașului suficient de repede, astfel încât curentul vântului peste el să fie furtunos, mingea întâmpină puțină putere împiedicantă (vezi dreapta).

Un fotbal rapid este, în acest fel, dublă dificultate pentru un portar care dorește să facă o salvare – pe lângă faptul că mingea se mișcă cu viteză, de asemenea, nu se întoarce atât de mult pe cât ar fi normal. Poate că cei mai buni portari văd instinctiv mai multă știință a materialelor mingii de fotbal decât înțeleg.

În 1976, Peter Bearman și partenerii de la Imperial College, Londra, au făcut o serie exemplară de examinări pe mingi de golf. Ei au descoperit că creșterea răsucirii unei mingi a creat un coeficient de ridicare mai mare și, prin urmare, o forță Magnus mai mare. Oricum ar fi, extinderea vitezei la o anumită răsucire a scăzut coeficientul de ridicare.

Cum afectează acest lucru o minge de fotbal este că o minge lentă cu multă răsucire va avea o forță laterală mai mare decât o minge rapidă cu o răsucire similară. Deci, pe măsură ce o minge se îndreaptă înapoi spre finalul direcției sale, îndoirea se dovedește a fi mai articulată.

Roberto Carlos revăzut

Cum au toate acestea sensul loviturii libere executate de Roberto Carlos? În ciuda faptului că nu putem fi complet siguri, următoarea este probabil o clarificare corectă a ceea ce s-a întâmplat.

Carlos a lovit mingea cu pasul dincolo de mers pe jos pentru a o face să se întoarcă în sens invers acelor de ceasornic în timp ce a privit în jos pe ea. Condițiile erau uscate, așa că cât de multă răsucire a dat mingea a fost mare, poate la nord de 10 cicluri în fiecare secundă. Lovindu-l cu piciorul dincolo de picior ia permis să treacă lucrurile în jurul orașului, probabil la nord de 30 ms-1 (70 mph).

Progresia aerului peste stratul exterior al mingii a fost acerbă, ceea ce a conferit mingii o măsură moderată de rezistență. Într-un fel în drumul său – poate în jurul amprentei de 10 m (sau cam la locul masei de protector) – viteza mingii a scăzut odată cu scopul final că a intrat în sistemul de flux laminar.

Acest lucru a extins considerabil gata de rezistență, ceea ce a făcut-o să întârzie semnificativ mai mult. Acest lucru a împuternicit forța Magnus laterală, care răsucea mingea spre obiectiv, să intre semnificativ mai mult în impact. Așteptându-se că cât de mult răsucire nu putrezise excesiv, atunci, în acel moment, coeficientul de rezistență sa extins.

Aceasta a prezentat o forță laterală mult mai mare și a făcut ca mingea să se răsucească și mai mult. În cele din urmă, pe măsură ce mingea s-a lăsat înapoi, curba s-a dovedit a fi și mai exagerată (poate din cauza expansiunii coeficientului de porțiune) până când a lovit spatele fileului - fără îndoială, stârnind multă bucurie pentru fizicienii din grup.

Investigarea fluxului în mișcarea fotbalului

Există și altceva în cercetarea fotbalului, în afară de concentrarea practic pe mișcarea mingii în zbor. De asemenea, specialiștii sunt dornici să descopere cum un fotbalist lovește cu adevărat o minge. De exemplu, Stanley Plagenhof de la Universitatea din Massachusetts din SUA s-a concentrat pe cinematica lovirii cu piciorul – una peste alta, trecând cu vederea puterile în cauză. Diferiți analiști, precum Elizabeth Roberts și asociații de la Universitatea din Wisconsin, au făcut examinări unice de lovire, ținând cont de puterile în cauză.

Aceste metodologii exploratorii au creat câteva rezultate fantastice, deși rămân de fapt multe dificultăți. Una dintre cele mai de bază probleme este necazul de a estima mișcarea reală a oamenilor, parțial pe motiv că evoluțiile lor sunt atât de excentrice. Cu toate acestea, progresele în curs de desfășurare în examinarea mișcării cu PC-uri se remarcă cu siguranță în știința sportului și, cu ajutorul noilor tehnici logice, se poate realiza în prezent estimări sensibile exacte ale mișcării umane.

De exemplu, doi dintre creatori (TA și TA) și un grup de explorare de la Universitatea Yamagata din Japonia au folosit o metodologie logică computațională combinată cu strategiile dinamice mai obișnuite pentru a imita modul în care jucătorii lovesc mingea. Aceste reconstituiri au permis crearea de jucători de fotbal “virtuali” de diferite tipuri – de la începători și copii mici până la experți – să se joace în realitate virtuală pe computer.

Producătorii de echipamente de atletism, de exemplu, ASICS Corporation, care susțin proiectul Yamagata, sunt în plus inspirați de muncă. Ei doresc să utilizeze rezultatele pentru a planifica echipamente atletice mai sigure și cu o execuție mai bună, care pot fi făcute mai rapid și mai monetar decât articolele existente.

Cum să curbați o minge de fotbal

Dezvoltarea jucătorilor a fost urmărită folosind video rapid la 4500 de margini în fiecare secundă, iar efectul piciorului pregătit a fost apoi luat în considerare cu o examinare limitată a componentelor.

Încercările subiacente au demonstrat ceea ce știu majoritatea fotbaliștilor: presupunând că loviți mingea direct cu piciorul, astfel încât piciorul să treacă lucrurile în jurul orașului, în conformitate cu punctul focal de gravitație al mingii, atunci mingea scapă în mod ordonat. În orice caz, presupunând că lovești mingea cu partea din față a piciorului și cu punctul dintre picior și picior la 90° (vezi stânga), aceasta se va îndoi în zbor. Pentru această situație, efectul este oblic. Acest lucru face ca puterea aplicată să funcționeze ca o forță, ceea ce, în consecință, dă o răsucire mingii.

Rezultatele exploratorii au arătat, de asemenea, că răsucirea mingii este strâns legată de coeficientul de grătare dintre picior și minge și de distanța de deplasare a piciorului față de punctul focal de gravitație al mingii.

Un model de componentă limitată a efectului piciorului pregătit, compus cu programarea DYTRAN și PATRAN de la MacNeal Schwendler Corporation, a fost utilizat pentru a examina aceste ocazii din punct de vedere matematic. Acest studiu a arătat că o extindere a coeficientului de șlefuire dintre minge și picior a făcut ca mingea să se răsucească mai mult. A existat, de asemenea, mai multă răsucire presupunând că poziția decalată era mai departe de punctul focal de gravitație.

Au fost observate alte două impacturi fascinante. În primul rând, în cazul în care distanța de compensare s-a extins, piciorul a contactat mingea pentru un interval de timp mai limitat și pe o regiune mai modestă, ceea ce a determinat atât răsucirea, cât și viteza mingii să se diminueze. Există, prin urmare, un loc ideal pentru a face zarvă în jurul orașului, dacă aveți nevoie de cea mai extremă răsucire: presupunând că loviți mingea excesiv de aproape sau excesiv de departe de punctul focal de gravitație, nu va câștiga nicio răsucire.

Celălalt impact fascinant a fost că, indiferent dacă coeficientul de contact este zero, mingea câștigă de fapt o oarecare răsucire presupunând că o loviți cu un decalaj față de punctul său focal de gravitație. Deși în această situație nu există o forță de margine aliniată cu circuitul mingii (deoarece coeficientul de eroziune este zero), mingea se desfigurează dincolo de mijloc spre mijlocul ei, ceea ce face ca o oarecare putere să acționeze în jurul punctului focal de gravitație. Prin urmare, este de imaginat să transformați o minge de fotbal într-o zi înfățișată, deși răsucirea va fi considerabil mai mică decât dacă condițiile ar fi uscate.

Evident, ancheta are câteva impedimente. Aerul din afara mingii a fost trecut cu vederea și era de așteptat ca aerul din interiorul mingii să acționeze printr-un model de flux de lichid compresiv, lipicios. Într-o lume perfectă, aerul atât din interiorul, cât și din exteriorul mingii ar trebui să fie încorporat, iar vâscozitățile afișate utilizând condițiile Navier-Stokes.

De asemenea, era de așteptat ca piciorul să fie omogen, când în mod clar un picior autentic este considerabil mai complicat decât acesta. În ciuda faptului că ar fi dificil să se realizeze un model ideal care să ia în considerare fiecare componentă, acest model încorporează principalele puncte de atracție.

Planificând din timp, doi dintre noi (TA și TA) plănuiesc, de asemenea, să exploreze impactul diferitelor tipuri de încălțăminte asupra lovirii mingii. Între timp, ASICS se alătură reproducerilor de componente limitate Yamagata cu biomecanica, fiziologia și știința materialelor pentru a configura noi tipuri de ghete de fotbal. În cele din urmă, oricum, fotbalistul are efectul – și fără capacitate, inovația este inutilă.

Ultimul fluier

Deci, ce am putea câștiga la un moment dat de la Roberto Carlos? Presupunând că loviți mingea suficient pentru ca vântul de peste suprafață să devină aprig, atunci forța de rezistență rămâne mică și mingea va zbura cu adevărat. Presupunând că credeți că mingea ar trebui să se îndoaie, dă-i o grămadă de răsucire prin concentrare. Acest lucru este mai simplu într-o zi uscată decât într-o zi umedă, totuși ar trebui, în orice caz, să fie posibil acordând puțină atenție condițiilor.

Mingea se va îndoi cel mai mult atunci când intră înapoi în sistemul de flux laminar, așa că doriți să exersați pentru a vă asigura că această schimbare are loc într-o locație perfectă - de exemplu, imediat după ce mingea a trecut de un perete de protecție. În cazul în care condițiile sunt ude, puteți oricum să vă întoarceți, totuși ați fi într-o situație ideală uscandu-vă mingea (și ghetele).

Aproape cu ceva timp în urmă, J Thomson a ținut o conferință la Royal Institution din Londra despre elementele mingilor de golf. El este citat că a spus că însoțește: “În cazul în care am putea recunoaște clarificările cu privire la modul de comportare a mingii oferite de numeroși susținători ai scrisului excepțional de voluminos care s-a adunat în jurul jocului... Ar trebui să vă aduc în fața în seara asta alte elemente și să declar această problemă, atunci când este alcătuită în mingi [de golf] care respectă cu totul mingi de golf. în alte circumstanțe.”

În fotbal, în orice caz, ar trebui să fim siguri că lucrurile au continuat.

Citește în continuare

Lumea fizicii

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

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

R D Mehta 1985 Aerodinamica mingilor de sport Ann. Dă foc. Mecanic lichid. 17 151-189

Întrebări referitoare la presiune și mingi de fotbal

Cum influențează cât de mult aer dintr-o minge de fotbal cât de departe se aventurează atunci când este lovită de o putere similară?

Cât de mult aer sau tensiune gazoasă dintr-o minge de fotbal influențează cât de departe va călători mingea atunci când este lovită de o putere similară. Forța pneumatică mai mare care este plasată într-o minge de fotbal acționează asupra revenirii mingii de pe piciorul unui jucător. Mai multă energie este mutată într-o minge “solidă” într-un accident flexibil. Una peste alta, mingea se deformează mai puțin în timpul efectului, astfel încât se pierde mai puțină energie la răsucire.

Are stresul pneumatic barometric impact asupra cât de departe se aventurează o minge de fotbal atunci când este lovită de o putere similară?

Forța pneumatică a aerului (aerul care cuprinde mingea) își asumă, de asemenea, un rol în cât de departe parcurge mingea. La presiune mai mică, există mai puțin contact cu aerul. Îl poți contrasta cu lovirea mingii într-un rezervor de apă pentru a lovi mingea pe lună. Bilele merg mai departe la înălțime mare, având în vedere rezistența redusă din aer, care este mai subțire pe măsură ce urcăm mai sus. Deci, există o situație în care stresul pneumatic “diminuat” face ca mingea să meargă mai departe.

În plus, materialele din care este făcută mingea de fotbal influențează cât de departe va călători mingea... totuși, aceasta este o altă anchetă și încercare.

Cât de mult stres pneumatic ar fi o idee bună pentru mine să pun într-o minge de fotbal

Utilizați presiunea adecvată a aerului Nu terminați sau sub comprimați o minge. Utilizați stresul pneumatic sugerat de marca care este imprimat pe majoritatea bilelor. Majoritatea mingilor de fotbal au o tensiune de 6 până la 8 lbs. sau apoi din nou 0,6 sau 0,8 BAR. Se recomandă să utilizați o verificare a tensiunii pentru a cuantifica măsura specifică a tensiunii dintr-o minge după extindere și înainte de utilizare.

BAR sau PSI sau LBS

Unele mingi de fotbal au sugerat valori ale presiunii demonstrate în BAR, în timp ce altele au calitățile prezentate în PSI sau LBS. Pentru a schimba calitățile tensiunii, utilizați formulele însoțitoare:Pentru a converti BAR (KGS) în PSI (Lbs.):Răspuns = 14,5037 X cât BAR(KGS)Pentru model: O minge de fotbal are o tensiune sugerată de 0,6 BAR numită pe ea. Pentru a schimba BAR în lire pe inch pătrat (PSI), duplicați de 0,6 ori 14,5037. Răspunsul este de 8,7 PSI sau lbs.Pentru a converti PSI (Lbs.) în BAR(KGS):Răspuns = .068948 X cât de mult PSI(lbs.)Pentru model: o minge de fotbal are o tensiune sugerată de 7,9 lbs. (PSI) marcat pe el. Pentru a schimba peste Pounds Per Square Inch (PSI) în BAR, duplicați de 7,9 ori .068948. Răspunsul este de 0,545 BAR.

Cum îmi umfle mingile de fotbal

Mingile de fotbal pierd forța pneumatică pe termen lung. În unele cazuri, la nord de câteva zile (mingii de fotbal care utilizează vezica butil păstrează forța pneumatică mai mult decât mingile care utilizează vezica de plastic). Asigurați-vă că verificați des întinderea pentru a vă asigura că mingea este extinsă corespunzător. Prin urmare, puneți resurse într-un sifon cu bile decent, aveți un stoc de ace de expansiune și utilizați o verificare a tensiunii scăzute pentru a cuantifica extinderea legitimă. Înainte de a arunca inițial în aer o minge de fotbal, două sau trei picături de ulei de silicon sau duș cu ulei de silicon sau ulei de glicerină în supapă.

Puteți cumpăra unul dintre uleiurile sau un duș de la magazinul de îmbunătățiri pentru locuințe din cartier. Utilizarea uneia dintre unsori va lucra asupra existenței supapei și va unge supapa pentru adăugarea simplă a acului de expansiune. Saturați continuu acul de expansiune înainte de a-l încorpora în supapă. În mod ideal, utilizați puțin ulei de silicon, stropi de silicon sau ulei de glicerină pentru a satura acul. Cu toate acestea; foarte mulți oameni folosesc scuipat... da, dar asta nu este sugerat. Producătorii sugerează să reduceți tensiunea gazoasă din dumneavoastră mingi de meci după un joc pentru a diminua cât de multă greutate gata cute sau coasere. Asigurați-vă că umflați mingea înapoi la tensiunea corespunzătoare înainte de meci.

Din ce motiv, în general, trebuie să sifon chiar și bile costisitoare

Multe bile folosesc vezica din plastic. Cauciuc latex obișnuit vezica urinară oferă cea mai blândă senzație și reacție, dar nu oferă cea mai bună întreținere a aerului. Porii în miniatură lasă treptat aerul să scape. Bilele cu vezici elastice normale trebuie reumflate mai frecvent decât mingile cu vezici butil. Într-adevăr, chiar și după câteva zile, vezica de plastic va elibera suficient aer, așa că ar trebui să umflați mingea înapoi la presiunea sugerată. Câteva bile folosesc vezica carbon-plastic în care pulberea de carbon ajută la închiderea porilor miniaturali. Mingi de fotbal cu vezici din plastic carbon în cea mai mare parte, întreținerea aerului crește la aproximativ mai multe săptămâni. Evident, verificați mingea pentru pătrundere care ar putea face aerul să se reverse. Mingi de fotbal cu vezici butilice sau vezici PU oferă o combinație excelentă de senzație și întreținere a aerului și pot fi urmărite în general în mingi cu valoare centrală și superioară. Întreținerea aerului este extinsă în totalitate la perioade lungi de timp, mai degrabă decât zile, în contrast cu bile cu vezici de plastic.

Din ce motiv unele mingi de fotbal devin mai mari după ceva timp

Numeroase mingi de fotbal cu adevărat vor deveni mai mari pe termen lung. Acest lucru se datorează tensiunii aerului din vezică împotriva căptușelilor și a capacului. După ceva timp, materialul și cusătura se pot slăbi, făcând mingea să devină mai mare. De asemenea, utilizarea greșită a mingii de fotbal poate face ca eliberarea cusăturii și mingea să se expună

Întrebări privind fizica materialului mingii de fotbal

Puteți verifica detalii complete despre materialele mingii de fotbal, click aici

Întrebări referitoare la curbarea unei mingi de fotbal

Cum se îndoaie o minge când o dai cu piciorul? Pentru răspunsul la această întrebare și la altele care se conectează cu știința materialelor unei mingi de fotbal îndoite, click aici.

Dacă sunteți în căutarea unui producător de produse OEM FPP, vă rugăm să ne contactați: Pagina de contact