Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?

Ed Fontes 06/06/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Футбольный мяч Adidas® Telstar® является официальным мячом Чемпионата мира по футболу FIFA™ 2018, а мяч Nike® Ordem V используется семью крупнейшими национальными лигами Европы, в том числе тремя лучшими: лигой Испании Ла Лига, английской Премьер-лигой и итальянской Серия A. Ранее мы рассказывали о подготовке к эксперименту по измерению предельной скорости этих двух футбольных мячей, чтобы определить возможные различия, которые могли бы повлиять на игру футболистов. И вот что мы обнаружили…

Подготовка к эксперименту с футбольными мячами

Мы уже пришли к заключению о том, что положение футбольного мяча, «парящего» над трубой воздуходувки для уборки опавших листьев, должно быть обратно пропорционально предельной скорости. Следовательно, чем выше положение мяча, тем ниже предельная скорость, и чем ниже предельная скорость, тем выше коэффициент лобового сопротивления (Cd). Согласно нашей оценке разность значений Cd 0,2 и 0,15 по идее обусловливает минимальную разницу положения мячей над трубой воздуходувки в 15%. Мы пришли к выводу, что такую разницу вполне можно измерить!

И мы это сделали. Наша съемочная группа в Бостоне сконструировала испытательную установку, строго следуя моим инструкциям. Мне также очень хотелось, чтобы они побрились, подстриглись и надели белые лабораторные халаты — чтобы войти в нужный режим для проведения измерений. Эта «высокотехнологичная» установка показана на рисунке ниже.

soccer ball experiment square Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?
Высокотехнологичная установка, сделанная участниками съемочной группы в Бостоне во время эксперимента. Увы, никто из них не побрился, не подстригся и не надел халат! К тому же, возможно, они стоят слишком близко к стене. Трубу исправили позже — она была немного искривлена.

Измерение расстояния от мяча до трубы

Ладно, может, это не такая уж высокотехнологичная установка, и, даже если участники группы не побрились, измерения были проведены вполне прилично. В видеороликах ниже продемонстрировано, как два мяча — Adidas® Telstar® и Nike® Ordem V — висят в воздухе над трубой воздуходувки. В них также видна откалиброванная линейка, измеряющая положение мяча.

Нам удалось измерить около 110–150 точек в каждом временном ряду, пока мяч парил в относительно стабильном положении над трубой воздуходувки. Для соблюдения правил использования товарных знаков мы удалили логотипы с мячей. Оба мяча являются оригинальными, высококачественными мячами от производителей. Мяч Nike® Ordem V относится к зимней серии, но за исключением цвета, это обычный мяч Nike® Ordem V с канавками Nike® Aerowtrac и микротекстурной оболочкой.

 

 

Мячи Adidas® Telstar® (сверху) и Nike® Ordem V (снизу), удерживаемые в воздухе струей из воздуходувки.

Во время подготовки мы также измерили диаметр и массу каждого мяча. Их диаметры были примерно равны: Мяч Adidas® Telstar® — 21,9 см, мяч Nike® Ordem V — 21,7 см (мы округлили оба значения до 22). Масса мяча Adidas® Telstar® составила 430 г, а мяча Nike® Ordem V — 435 г. Конечно, это зависит от давления внутри этих двух мячей. Мы постарались накачать их так, чтобы добиться примерно одной и той же массы. Разность масс составила около 1,2%, которую мы посчитали допустимой.

Результаты: Какой мяч больше всего подходит для подготовки к Чемпионату мира по футболу FIFA™?

Так что насчет результатов? На рисунке ниже показано положение мяча над трубой воздуходувки в двух сериях измерений. Два мяча держатся в воздухе на примерно одинаковой высоте. Если разность коэффициентов лобового сопротивления составляла около 0,05 (разность значений 0,2 и 0,15), мы должны видеть разницу между средними положениями двух мячей почти в 2 см.

Амплитуда движения составляет примерно 1,6–1,7 см, а среднее значение — около 13,5 см для мяча Adidas® Telstar® и 13,7 для мяча Nike® Ordem V. Однако, как можно понять из графиков, эта разница значительно меньше, чем амплитуда движения в воздухе. Она незначительна. Ни один из замеров не дал в результате разницу положений, которая была бы близка к 2 см из наших расчетов, если была большая разность значений Cd для мячей.

comparing adidas nike balls plot Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?
Положение мяча Adidas® Telstar® (синие квадраты) и мяча Nike® Ordem V (оранжевые треугольники) над трубой воздуходувки.

Здесь можно заметить одну интересную деталь: частота одного парящего мяча немного отличается от другого. Частота мяча Nike® Ordem V немного ниже, хотя и несущественно: Adidas® Telstar® — 0,78 Гц, Nike® Ordem V — 0,62 Гц. Эта закономерность наблюдается во всех замерах: частота мяча Adidas® Telstar® варьируется в пределах 0,74–0,78 Гц, а частота мяча Nike® Ordem V — в пределах 0,62–0,68 Гц.

Что может служить причиной такого синусоидального режима? Может, дело в воздуходувке? Если бы дело было в ней, то частота была одинаковой для обоих мячей. Разность невелика, так что мы не можем с уверенностью утверждать, что причиной колебаний является не воздуходувка. Хотя это вполне могла бы быть частота отрыва более масштабных завихрений, возникающих позади мячей. Вихри и попутные потоки позади мяча заставляют его смещаться вправо-влево и вверх-вниз, даже когда мяч не крутится. Это явление известно как эффект наклбола или эффект пляжного мяча. Частота определенно попадает в этот диапазон.

Итак, в нашем эксперименте мы, возможно, обнаружили разницу между двумя мячами. Более высокая частота по сути должна означать меньший попутный поток позади мяча, что предполагает также меньшие завихрения. Меньший попутный поток может быть обусловлен более ранним возникновением турбулентности на поверхности мяча, на которую направлена струя воздуха.

В чем причина различия?

На рисунке ниже показаны панели мяча Adidas® Telstar®, отделенные швами. Общая длина швов составляет около 4,30 м — это значение существенно превышает длину швов 3,22 м у мяча Adidas® Brazuca® и 3,53 м у обычного 32-панельного мяча. Глубина швов составляет около 1,5 мм — примерно так же, как у мяча Adidas® Brazuca® и выше, чем у прошитого мяча.

adidas telstar ball comsol multiphysics Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?
Модель мяча Adidas® Telstar® с панелями, построенная в программном пакете COMSOL Multiphysics® для измерения общей длины швов.

Общая длина швов мяча Nike® Ordem V также больше, чем у обычного 32-панельного мяча. В этом случае имеются еще и канавки, которые, скорее всего, имитируют швы и делят каждый пятиугольник на меньшие фигуры. В результате получается 12 обычных пятиугольных и 20 шестиугольных граней, где каждая из последних разделена посередине швом плавления. Тогда длина имитируемых швов по расчетам составляет примерно 4,14 м для канавок Aerowtrac и около 2,37 м для швов плавления, что в сумме дает 6,51 м! Швы несколько уже, чем канавки. Глубина канавок составляет примерно 1,5 мм, а швов плавления — 1,2 мм.

nike ordem v unit cell Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?
Изображение ячейки мяча Nike® Ordem V. Мяч состоит из 12 пятиугольных изогнутых ячеек, скрепленных швами, полученными путем склеивания плавлением (синие края), и панелей с более мелкими пятиугольными фигурами с канавками и линиями (серые).

nike ordem v ball model Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?
Мяч Nike® Ordem V состоит из 12 панелей. На данном изображении мяч окрашен тремя разными цветами. На каждой панели имеются канавки Nike® Aerowtrac.

На обоих мячах швы (и канавки, имитирующие их) значительно длиннее по сравнению с обычным 32-панельным мячом. Длина и глубина более широких канавок мяча Nike® Ordem V сопоставимы с глубиной и общей длиной швов мяча Adidas® Telstar®. О чем это говорит? Чем больше общая длина швов и канавок мяча Nike® Ordem V, тем выше коэффициент лобового сопротивления (хоть и ненамного). Возможно, это так, однако разница сравнительно невелика по сравнению с мячом Adidas® Telstar®, учитывая, что особых различий в высоте парения мы не наблюдали.

seam adidas telstar ball Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?
measuring clay seam nike ball Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?

Шов на мяче Adidas® Telstar® (слева) и на мяче Nike® Ordem V (справа).

Если шов длиннее, это может означать, что пограничный турбулентный слой стабилен при более низких скоростях для мяча Nike® Ordem V, чем для мяча Adidas® Telstar®. Таким образом, в области кривизны сопротивления, где турбулентный пограничный слой переходит в ламинарный, скорость мяча Adidas® Telstar® может быть выше, чем Nike® Ordem V. Однако это различие, вероятно, невелико, учитывая структуру поверхности мячей и крайне высокие значения длины их швов (по сравнению с мячами, выпущенными ранее, например Adidas® Brazuca® и Jabulani®). На поверхность мяча Adidas® Telstar® нанесены узоры в форме квадратов, напоминающих пиксели, а мяч Nike® Ordem V дополнен четкими круговыми узорами и полосами, нанесенными параллельно швам плавления. Более выраженная структура поверхности мяча Adidas® Telstar® по идее должна способствовать снижению скорости в области кривизны сопротивления и уравниванию разницы между длинами швов и канавок мячей.

russia ball world cup gauge Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?
 Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?

Структура поверхности мяча Adidas® Telstar® (слева) и мяча Nike® Ordem V (справа). Фотография была сделана во время накачивания мяча.

Мячи Adidas® Telstar® и Nike® Ordem V, вероятно, ведут себя в воздухе одинаково в отношении скорости при определенном импульсе (ударе), возникновения кручения при придании кручения мячу (эффект Магнуса) и скорости, обуславливающей возникновение эффекта наклбола (или пляжного мяча) при некрученом ударе по мячу. Возможно, скорость мяча Adidas® Telstar® немного выше при возникновении как эффекта Магнуса (когда мяч летит по кривой), так и эффекта пляжного мяча (когда мяч начинает двигаться вправо-влево и вверх-вниз).

Мячи с сопоставимыми характеристиками = Отсутствие противоречий

А что насчет погрешности измерений? Как уже было упомянуто в статье из этой серии блога, у нас нет аэродинамической трубы, и мы проводим такой эксперимент впервые. Мы были сильно ограничены по времени и ресурсам. Если бы у нас было время на то, чтобы провести эксперименты повторно, мы бы использовали по крайней мере четыре воздуходувки, которые были бы подключены к одной трубе. Таким образом, увеличилась бы высота парения обоих мячей, и представилась бы возможность измерить небольшие разности значений Cd на предельной скорости. Положение парящего мяча на таком малом расстоянии от трубы воздуходувки может быть причиной возникновения больших зон отрыва позади мяча, хоть это, по-видимому, и не повлияло на ход наших экспериментов.

Мы также могли использовать трубку Пито для измерения скорости потока и высокопористую сотовую конструкцию около нижнего впуска последней прямой трубы, чтобы обеспечить равномерность потока и отсутствие сильных завихрений на ее выпуске.

future soccer ball experiment plans Важно ли, с каким мячом тренируются участники Чемпионата мира по футболу FIFA World Cup™?
Планы на будущий эксперимент с более контролируемым и мощным потоком.

Возможно, эта конфигурация эксперимента пригодится для следующего Чемпионата мира по футболу FIFA™. В целом, мы убеждены, что из-за мячей на чемпионате 2018 года не возникнет каких-либо разногласий. Согласно нашим измерениям, частота парения мяча Adidas® Telstar® немного отличается от частоты Nike® Ordem V: Они не идентичны, но близки.

И все же, ни одна из команд не собирается рисковать. Все команды, в том числе спонсируемые маркой Nike, на тренировках используют мяч Adidas® Telstar®, чтобы лучше подготовиться к Чемпионату мира по футболу FIFA™. Я? Я предпочитаю мяч Adidas® Jabulani®. Крайне низкий коэффициент лобового сопротивления и высокая скорость при возникновении эффекта Магнуса и эффекта пляжного мяча позволяют выполнять поистине эффектные штрафные и удары с дальней дистанции! Хотя, опять же, мне никогда не доводилось быть вратарем…

Дополнительная литература

Adidas и Brazuca являются товарными знаками концерна adidas AG. Telstar и Jabulani являются зарегистрированными товарными знаками концерна adidas International Marketing B.V. Корпорация COMSOL AB, равно как и ее дочерние компании и продукция, не связаны с владельцами этих торговых марок, не рекомендовались, не финансировались и не поддерживались концерном adidas AG или adidas International Marketing B.V.

Nike является зарегистрированным товарным знаком корпорации Nike, Inc. Корпорация COMSOL AB, равно как и ее дочерние компании и продукция, не связаны с владельцами этих торговых марок, не рекомендовались, не финансировались и не поддерживались корпорацией Nike, Inc.

Чемпионат мира по футболу (FIFA World Cup), Чемпионат мира по футболу 2018 являются товарным знаком FIFA. Корпорация COMSOL AB, равно как и ее дочерние компании и продукция, не связаны с владельцами этих торговых марок, не рекомендовались, не финансировались и не поддерживались Чемпионатом мира по футболу FIFA.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль CFD Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Геометрическая оптика Модуль Механика конструкций Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Химические реакции Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Термовязкостная акустика Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта