Fotball-VM, Brasil, 2014. Vil det bli et mesterskap preget av perfekte pasninger, snedige skruskudd og mesterlige mål? Eller vil vi få se fomlete stjernespillere som skyter med presisjonen til et selvtrent juniorlag? FIFA har – kanskje – gjort spillernes liv vanskeligere ved å introdusere en «ny og bedre» ball til VM: Adidas Brazuca-ballen. Hvordan kan noe så enkelt som ballens utseende og sammensetning påvirke utfallet av hele VM i fotball?

De siste tiårene har det blitt utviklet spesielle baller til utvalgte VM og EM. Rundt hvert mesterskap har det blitt diskusjon om hvorvidt disse ballene oppfører seg som de skal. De kan skytes, dribles og scores mål med – men flyr de forutsigbart i harde, fancy langskudd? Nettopp slike skudd som kan gi mesterskapene de helt store wow-øyeblikkene?

Nå har forskere tatt diskusjonen på alvor. De nye ballene er like runde og like store som vanlige fotballer, men er gjerne kreativt sydd sammen av et mindre antall paneler. En vanlig «skoleball» har 32 paneler, av ganske jevn form og størrelse. Ballen Teamgeist 2, fra 2008, hadde 14 paneler. Jabulani fra 2010 hadde åtte. Årets Brazuca-ball har bare seks.

Betyr dette noe?

Med en vindtunnel og en ballsparkende robot på laget har de gått fysikken i de ulike mesterskapsballene grundig etter i sømmene – deriblant den nye Brazuca-ballen for VM i 2014. Resultatet viser spillerne kan ha grunn til å være bekymret. Det ER forskjell på ballene, og det har å gjøre med hvor mange paneler de er satt sammen av. Hvorfor det, og hvor mye kan det ha å si?

Fotbalfysikk

Ballen ligger klar på gresset. En proff fotballspiller løper frem og smeller til den med foten. Ballen flyr som en spinnnde kule gjennom luften. Hva skjer så?

«Spinnende kule» og «gjennom luften» er nøkkelordene.

«Gjennom luften» innebærer at ballen må dytte bort luft for å komme seg frem. Det bremser den. Hvis sparket var hardt, vil luften imidlertid først flyte glatt og pent rundt ballen – en såkalt laminær strøm. Da bremser luften minimalt, og ballen flyr hardt og langt. En typisk situasjon når keeperen sparker ballen langt oppover banen, eller ved starten av et frispark som skal skrus rundt en mur.

«Spinnende kule» er neste nøkkelord. Ballen bremses litt for litt, og ved en bestemt fart slutter luften bak ballen å flyte laminært. Det utvikles et stort område med turbulens, omtrent som det kaotiske, hvitsprutende området rett bak en motorbåt, og denne turbulensen bremser mye, mye mer. Hele ballens oppførsel endrer seg.

Spesielt viktig er hva som skjer hvis den spinner, eller skrur. Da vil turbulensen (m.m.) få ballen til å slutte å fly rett frem. I steden vil den bøye av i den retningen den skrur. Ser du den fra toppen og den skrur mot klokka, så bøyer den mot venstre – og omvendt. Det kalles Magnus-kraften – en effekt som gjør fotball (og andre ballspill) mye mer spennende utfordrende.

Bak alt dette ligger det god og grundig fysikk. Nøkkelord ut over Magnus-kraft er fluidmekanikk, Reynolds-tall, slippe-punkter og Bernoulli-ligningen. Les mer om det her, i et tidligere innlegg på kollokvium, eller se det i aksjon i dette historiske frisparket:

Sømmer og paneler betyr forskjell på baller

Gode fotballspillere er vant til å utnytte overgangen fra laminær til turbulent flom, og de er mestre i bruk av den sideveis Magnus-kraften for å skru lange baller dit de vil ha dem. Men hva om ballen slutter å oppføre seg som spillerne forventer?

En vanlig fotball består av 32 paneler, av ganske lik størrelse, jevnt fordelt over ballens overflate. Dermed har ikke ballen noen spesiell «retning» – det betyr ingenting hvordan den ligger før det tas et frispark, for eksempel.

De nye ballene er helt annerledes. De er satt sammen av færre paneler, og har lange sømmer mellom panelene som er ujevnt og mindre symmetrisk fordelt. Nettopp hvor lage sømmene er, og hvor de ligger på ballen, bestemmer mye for hvor sterk Magnus-kraften blir.

Tenk, som eksempel, en hardt sparket ball med lett skru. En vanlig ball vil først gå rett frem, deretter – når luftstrømmen blir turbulent – bøye rolig av i skru-retningen. En moderne ball kan derimot finne på å få Magnus-kraft først på den ene siden, så på den andre, etter hvert som de store panelene roterer. Ballen blir flygende i sikk-sakk!

Spørsmålet blir imidlertid: Er dette noe som faktisk påvirker en ekte fotballkamp, eller er det bare sære ideer fra fotballgærne fysikere og unnskyldninger fra sutrete spillere?

Fronten av ballforskning

Nylig ble det publisert et grundig studium av VM- og EM-ballenes aerodynamikk, i tidsskriftet Scientific Reports. Fysikerne Sungchan Hong og Takeshi Asai, ved Universitetet i Tsukuba, Japan, har tatt for seg fem baller: Brazuca (2014, VM), Cafusa (2013, FIFA Confederations Cup), Jabulani (VM, 2010) , Teamgeist 2 (2008, Euro Cup), samt den vanlige skolefotballen.

Ballene ble først plassert i en vindtunnel. Her målte forskerne hvor fort ballene flyr i det øyeblikket luftstrømmen går over fra å være laminær til turbulent, og dessuten hvor skarp denne overgangen er. Videre testet de hvor stabile ballene var, d.v.s. hvor sterke sideveis krefter vinden rev og slet i dem med. Forandret dette seg når ballen ble snudd på, eller var det jevnt?

Deretter ble ballene gitt til en sparkerobot. Den ga dem helt like og jevne spark, og forskerne sjekket så hvor ballen havnet – også her som funksjon av hvordan ballen lå før sparket. Betydde retningen noe for hvor ballen havnet, når sparket ellers var helt likt?

Resultatet burde vekke både fotballspillere, fotballfans og forskere. Til tross for at alle ballene er omtrent like store og like tunge, er det enorm forskjell på hvordan de oppfører seg.

Jabulani-ballen fra 2010, for eksempel, med sine åtte paneler og lange sømmer, utmerker seg som fullstendig uforutsigbar og ustabil i luften. Mye mer ustabil enn de andre, og spesielt mye verre enn den klassiske skolefotballen. Er du vant til å spille på grendelaget og plutselig får en VM-ball fra 2010 på kamp, kan du få deg en skikkelig overraskelse.

Teamgeist og Cafusa, fra 2008 og 2013, utmerket seg derimot med å ha veldig ulike glideegenskaper i frispark. I noen spark krøp de lavt mot bakken, mens hvis ballen ble dreid litt før sparket gled de høyt. Når ballen ble sparket 25 meter fra «mål», var forskjellen i høyde når den kom frem hele tre meter, for ellers identiske spark – noe som opplagt vil være litt frustrerende for en ellers godt sparkende spiller.

Brasil 2014 – blir ballen matchvinner?

Et av artikkelens hovedpoeng er oppførselen til Brazuca-ballen, utviklet for VM i 2014. Hvordan oppfører den seg i forhold til vanlige baller?

Det første forskerne fant, er at overgangen mellom laminær og turbulent flom for denne ballen er mye mer markert enn for en vanlig skoleball. Den kommer også ved litt lavere hastighet enn spillerne kanskje er vant til, noe som kan gjøre det vanskelig å planlegge veldig stilige, lange skru-spark.

I andre eksperimenter – hvor mye den virrer tilfeldig i luften, hvordan den flyter i frispark – oppfører den seg nesten overraskende likt en vanlig ball. Antydningsvis er den enda er stabil enn skoleballen. Dette er i sterk motsetning til en de lav de andre VM- og EM-ballene fra de siste årene. Det kan se ut som om FIFA (eller snarere Adidas, som har laget den) har kommet frem til en ball som både er kul, ny OG oppfører seg tålelig forutsigbart.

Om ballen faktisk er god eller dårlig, får spillerne få si sitt om. Om rare baller gjør VM mer eller mindre spennende, får være opp til den enkelte å vurdere. Fysikken i ballsparkene, og forskningen til det japanske fysikerlaget, er imidlertid tøff og inspirerende uansett.

 

Kilde: http://www.nature.com/srep/2014/140529/srep05068/full/srep05068.html