На каждом чемпионате мира игроки берут новый мяч. Чемпионат мира по футболу 2022 года в Катаре не стал исключением. Но никто не хочет, чтобы ключевая деталь самого важного турнира повела себя как-то неожиданно, поэтому много работы уходит на то, чтобы мяч Кубка мира казался игрокам знакомым и предсказуемым.
Профессор физики Джон Гофф (John Eric Goff) изучает физику спорта в Университете Линчберга. Несмотря на скандалы вокруг коррупции и прав человека, которые омрачили нынешний чемпионат, в футболе и науке всё ещё сохраняется красота и гармония. Предлагаем анализ нового мяча чемпионата мира.
Физика сопротивления
Помимо ударов по воротам, штрафных ударов и длинных передач многие важные моменты футбольного матча происходят в тот момент, когда мяч находится в воздухе. Да-да, не удивляйтесь, но одной из важнейших характеристик футбольного мяча является его поведение в воздухе.
Когда мяч движется в воздухе, его частично окружает тонкий слой преимущественно неподвижного воздуха, который называется пограничным слоем. На низких скоростях этот пограничный слой будет покрывать только переднюю половину мяча. В этом случае след воздуха за шаром регулярен и называется ламинарным течением.
Однако, когда мяч движется быстро, пограничный слой охватывает шар намного сильнее, покрывая большую поверхность. Когда поток воздуха в конце концов отделяется от поверхности шара, он делает это серией хаотических завихрений. Этот процесс называется турбулентным течением.
При расчёте силы, с которой воздух действует на движущийся объект (сопротивление), физики используют термин, называемый коэффициентом сопротивления. Для данной скорости актуально правило: чем выше коэффициент сопротивления, тем большее сопротивление ощущает объект.
Коэффициент аэродинамического сопротивления футбольного мяча примерно в 2,5 раза больше при ламинарном течении, чем при турбулентном. Хотя это может показаться нелогичным, но дополнительные шероховатости поверхности мяча задерживают отделение пограничного слоя и дольше удерживают мяч в турбулентном потоке. Это физический факт — более шероховатые мячи "ощущают" меньше сопротивления. Именно поэтому мячи для гольфа с ямочками на поверхности летят намного дальше, чем без оных.
Когда дело доходит до изготовления хорошего футбольного мяча, решающее значение имеет скорость перехода воздушного потока от турбулентного к ламинарному. В момент этого перехода мяч начинает резко замедляться. Если ламинарный поток начинается со слишком высокой скорости, мяч начинает замедляться быстрее, чем мяч, который дольше поддерживает турбулентный поток. Грубо говоря, вихляет в воздухе, становясь непредсказуемым.
Эволюция мяча для чемпионата мира
Adidas поставляет мячи для чемпионатов мира с 1970 года. До 2002 года каждый мяч выглядел одинаково и состоял из 32 панелей. 20 шестиугольных и 12 пятиугольных панелей традиционно изготавливались из кожи и сшивались вместе.
Новая эра началась с чемпионата мира 2006 года в Германии. Мяч 2006 года, названный Teamgeist, состоял из 14 гладких синтетических панелей, которые были скреплены термически, а не сшиты. Более плотное клеевое соединение не позволяло воде проникать внутрь мяча в дождливые и влажные дни.
Создание мяча из современных материалов с использованием новых технологий и меньшего количества панелей влияет на полёт мяча в воздухе. На последних трёх чемпионатах мира Adidas пытался сбалансировать количество панелей, свойства швов и текстуру поверхности, чтобы создавать мячи с правильной аэродинамикой.
Восьмипанельный мяч Джабулани (Jabulani) на чемпионате мира по футболу в Южной Африке 2010 года обладал текстурированными панелями, компенсирующими более короткие швы и меньшее количество этих самых панелей. Однако, несмотря на усилия Adidas, мяч вызывал споры, например, многие игроки жаловались на резкое торможение. Особенно громко критика звучала в ходе чемпионата мира — мяч летел по непредсказуемым траекториям, поэтому вратарям пришлось несладко. Как и нападающим, чьи мячи летели куда угодно, но только не в задуманный угол ворот.
После проверки мяча в аэродинамической трубе оказалось, что он в целом слишком гладкий и поэтому имеет более высокий коэффициент аэродинамического сопротивления, чем мяч 2006 года, получивший название Teamgeist. Кстати, его тоже критиковало большинство топовых игроков незадолго до Чемпионата мира. Бразилец Роберто Карлос и англичанин Пол Робинсон утверждали, что мяч чересчур лёгкий и плохо ведёт себя при намокании. Так как у новой модели было меньшее количество швов, уменьшалось сопротивление воздуха из-за чего изменялась и траектория полёта. Сделанный по похожей технологии мяч Wawa Aba для Кубка африканских наций 2006 года также подвергся критике со стороны египтянина Хосни абд-Рабо, который сказал, что с этим мячом просто невозможно делать нормальный пас.
Мячи чемпионата мира по футболу для Бразилии в 2014 году — Brazuca — и для России в 2018 году — Telstar 18 — оба имели шесть панелей странной формы. Хотя они имели разные текстуры поверхности, в целом у них была одинаковая общая шероховатость поверхности и, следовательно, схожие аэродинамические свойства. Игрокам в целом нравились Brazuca и Telstar 18, но некоторые жаловались, что Telstar 18 легко лопается.
Мяч Al Rihla чемпионата 2022 года
Новый футбольный мяч для чемпионата мира по футболу в Катаре называется Al Rihla.
Al Rihla сделан с использованием чернил и клея на водной основе и состоит из 20 панелей. Восемь из них представляют собой маленькие треугольники с примерно равными сторонами, а остальные 12 крупнее и имеют форму рожка мороженого.
Вместо того, чтобы использовать выпуклые текстуры, как у предыдущих мячей, для увеличения шероховатости Al Rihla покрыт ямочками, благодаря чему поверхность ощущается более гладкой по сравнению с предшественниками.
Чтобы компенсировать это ощущение гладкости, швы Al Rihla стали шире и глубже. Возможно, создатели извлекли уроки из ошибок слишком гладкого Jabulani, у которого были самые мелкие и короткие швы среди мячей последних чемпионатов мира, и который, по мнению многих игроков, был медленным в воздухе.
В Японии протестировали четыре последних мяча для чемпионата мира в аэродинамической трубе Университета Цукуба.
Когда поток воздуха переходит от турбулентного к ламинарному, коэффициент лобового сопротивления быстро возрастает. Когда это происходит в полете, мяч внезапно испытывает увеличение сопротивления и резко замедляется.
Большинство мячей для Кубка мира совершали этот переход со скоростью примерно 58 км/ч. Как и ожидалось, Jubalani является исключением, его скорость перехода составляет около 82 км/ч. Учитывая, что большинство штрафных ударов начинаются со скорости, превышающей 97 км/ч, понятно, что игроки чувствовали медлительность и непредсказуемость Jubalani. Al Rihla имеет аэродинамические характеристики, очень похожие на своих двух предшественников, и даже может двигаться немного быстрее.
Конечно, на каждый новый мяч чемпионата мира кто-нибудь жалуется, но наука показывает, что Al Rihla должен показаться игрокам привычным и знакомым. Посмотрим, что скажут игроки об этом мяче.
Что ещё интересного есть в блоге Cloud4Y
→ Информационная безопасность и глупость: необычные примеры
→ It's Alive! Аккордеон из двух Commodore 64 и дискет
→ Как распечатать цветной механический телевизор на 3D-принтере
→ Создание e-ink дисплея с прогнозом погоды
→ Аналоговый компьютер Telefunken RA 770
Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью. Пишем только по делу. А ещё напоминаем про второй сезон нашего сериала ITить-колотить. Его можно посмотреть на YouTube и ВКонтакте.
