Между пулей и бумерангом

Принято считать, что в футболе, в отличие от игр, называемых азартными, побеждать должна та сторона, которая лучше понимает законы игры и умеет использовать их себе на пользу. Фактор случайности должен быть либо полностью исключен изначально, либо должна существовать хотя бы теоретическая возможность такого исключения. Как сами футболисты, так и некоторые ученые жалуются, что новый мяч фирмы Adidas, такой возможности не дает

Футбольный мяч летит иногда совсем не туда…

«Вокруг света» уже писал о новшествах в спортивной экипировке, созданных специально к нынешнему чемпионату мира по футболу (см. статью «Высокий футбол» Александра Колтового). Однако, кажется, не все в равной мере ими довольны.

 

 

Футбольные мячи Teamgeist фирмы Adidas уже подверглись критике со стороны вратарей нескольких сборных. Мабрук Заед, после поражения сборной Саудовской Аравии со сборной Украины жаловался: «Мяч очень странный и неуловимый, как будто мыслит самостоятельно. К нему очень трудно привыкнуть, на это нужно время» (Газета.ру). Аналогичные жалобы прозвучали и из уст вратарей сборных США, Англии и Германии. Однако, вполне возможно, что привыкнуть и не удастся.

Так выглядет аэродинамическое обтекание мяча, рассчитанное компьютером. Цветом передается скорость струи воздуха: красным – самая низкая, синим – самая высокая. Courtesy of Fluent Inc.

В начале 1950-х молодой бразильский полузащитник Диди стал первооткрывателем крученого удара «сухой лист», при котором мяч резко меняет направление полета. Не случайно этот удар впервые появился в южноамериканском футболе. Оказалось, что выполнение коронного удара Диди не просто осуществить в других климатических условиях. Кожаные мячи, которыми играли в те годы, хорошо впитывали воду. Это редко создавало проблемы в жарком, сухом климате Бразилии, но в сырой Европе вес мяча резко увеличивался, отчего непредсказуемым образом изменялись его аэродинамические свойства. Только с появлением в 1960-е годы водонепроницаемых мячей из синтетической кожи крученый удар стал завоевывать популярность во всем мире. В наши дни европейские игроки применяют его не менее искусно, чем бразильцы. Кто может забыть изумительный гол, забитый Дэвидом Бекхэмом в ворота сборной Греции в 2001 году?

Вратарь сборной Германии Йенс Леманн одним из первых пожаловался на непредсказуемость поведения нового футбольного мяча. Фото с сайта Deutsche Welle

По понятным причинам, полет футбольного мяча давно привлекает специалистов по аэродинамике. О том, что новая конструкция еще доставит множество огорчений вратарям будущего чемпионата, предупреждали ученые Батского университете (Англия), опубликовав 7 июня пресс-релиз «Чемпионат мира по футболу 2006 года добавит вратарям хлопот, предсказывают ученые»). Доктор Кен Брей (Ken Bray), автор недавно вышедшей в Англии книги «Победа по очкам: наука и красивая игра», высказал там опасение, что новый мяч может обнаружить нестабильное поведение в полете. «Обладая четырнадцатью панелями вместо обычных тридцати двух, новый футбольный мяч больше похож на бейсбольный, у которого их только две, – пояснил он свою озабоченность. – Соответственно, похожим образом они ведут себя в полете. Бейсбольные питчеры при броске, как правило, придают мячу вращение. Такой крученый бросок очень похож на крученый удар в футболе. Но иногда питчеры используют очень хитрый бросок, известный под названием «наклбол». Мяч вращается очень медленно, и изменение направления полета происходит внезапно. Непредсказуемость движения мяча приводит соперника в замешательство».

Считается, что идеальный мяч был бы сферической формы. Однако добиться ее не так-то просто – кроме формы у него есть и ряд других требований, часто трудно совместимых друг с другом. Например, футбольный мяч должен быть гораздо более прочным, чем, например, волейбольный или баскетбольный. Поэтому так надолго прижился мяч Telstar, впервые представленный той же фирмой Adidas на чемпионате в Мехико в 1970 году. Он сшит из двадцати правильных шестиугольников и двенадцати пятиугольников. У него много граней – из-за этого он почти идеально сферический, что хорошо, но и много швов. Плохо ли это?

Смена курса

Гидрогазодинамика позволяет понять, что именно происходит с мячом, когда он неожиданно отклоняется в сторону. Еще четыре года назад в университете еще одного английского города Шеффилда провели подробные исследования, включавшие в себя «продувание» мячей разных конструкций в аэродинамической трубе и компьютерное моделирование их поведения с помощью программы Computational Fluid Dynamics (CFD).

Когда мяч движется в воздухе, часть воздуха ненадолго прилипает к его поверхности, чтобы потом внезапно сорваться, образовав маленький воздушный вихрь. Когда скорость мяча достаточно велика, вихрей становится очень много, и они сталкиваются в хаотически движущийся поток, называемый турбулентностью. Если мяч летит, не вращаясь, то турбулентность лишь тормозит его. Но если мяч вращается, то скорость его поверхности относительно воздуха с одной стороны больше, чем с другой. Вихри там будут срываться раньше, турбулентность «съедет» на бок, и траектория мяча отклонится от прямолинейной. Наличие швов радикально изменяет эту простую картину.

Казалось бы на швах скорее всего и произойдет срыв вихря, поэтому чем их больше, тем шире должен быть турбулентный поток позади мяча. Но исследования английских ученых показали: это интуитивное представление неверно. Небольшие дефекты поверхности – например, швы – приводят не к расширению, а к сужению турбулентного потока позади мяча, когда скорость становится выше 20 км/ч. Следовательно, чем больше панелей, из которых состоит мяч, тем больше его аэродинамическая стабильность. Teamgeist состоит всего из четырнадцати панелей. Турбулентный поток оказывается слишком широк, чтобы обеспечить устойчивое движение.

Доктор Кен Брей не случайно вспомнил о непредсказуемом поведении бейсбольного мяча. Положение турбулентного потока будет претерпевать отклонения, в зависимости от того, на какой части шва произойдет срыв вихря. А если шов движется медленно, мяч успеет достаточно далеко пролететь от одного отклонения до другого. Из-за этого и появляется то «вихляние», на которое жалуются вратари. Их часто критикуют за то, что они отбивают мячи, движущиеся непредсказуемо, кулаками или ладонями, но это простительно, если они имеют дело с футбольным эквивалентом «наклбола».

Предсказуемая подвижность

Но с отрицательной оценкой доктора Брея и его коллег согласны далеко не все. Мяч не должен лететь «пулей». Хороший мяч должен обладать способностью менять направление движения, и чем больше, тем лучше. Вопрос только в том, насколько эти изменения зависят от воли и искусства производящего удар спортсмена. В конце мая компания Fluent Inc, филиал ANSYS, Inc, ведущий разработчик программного обеспечения и технологий, используемых в процессе проектирования новой продукции, сообщила о результатах исследований, проводившихся всё в том же Шеффилдском университете под руководством доктора Мэтта Карре (Matt Carre) при участии Fluent Europe Ltd. Они изучили и сравнили взаимодействие воздушных потоков с четырьмя футбольными мячами различной конструкции, созданными за последние 36 лет, включая Teamgeist.

Сотрудница университета Сара Барбер, играющая в футбольной команде «Шеффилд», в сотрудничестве с Дейвом Манном, главным инженером компании Fluent Inc, использовали трехмерный лазерный сканер, чтобы получить точные изображения поверхности каждого мяча, включая рисунок швов. Исследования показали, что форма и поверхность мяча, а также его начальное положение, оказывают большое влияние на его перемещение в воздухе. При медленном вращении мяча боковая сила может изменяться, вызывая его отклонение. Большее значение при этом имеет положение мяча перед ударом.

Кубок ФИФА в окружении обычного мяча Teamgeist и эксклюзивного мяча, сделанного для финального матча. Фото: Adidas

Совместно с доктором Такеши Асаи из японского университета Цукуба ученые проверили результаты своих исследований с помощью аэродинамической трубы. Оказалось, что за последние 36 лет сопротивление воздуха при полете не вращающегося мяча уменьшилось на 30%. При этом более новые мячи, в том числе и те, которыми играют на нынешнем чемпионате мира, имеют более правильную форму и сбалансированную геометрию швов. Поэтому их полет при сильных ударах с малым закручиванием меньше зависит от случайного начального положения мяча, а следовательно и более предсказуем.

Результаты исследования опубликованы вместе с комментариями исследователей в университетском пресс-релизе. В частности, там передаются такие слова доктора Карре: «Наша работа ясно указывает на то, что любые нарушения конструкции мяча или его асимметричность будут оказывать значительное воздействие на боковые силы при малом вращении или его отсутствии, а, следовательно, приведут к его отклонению в воздухе. Мы полагаем, что полученные нами данные объясняют, что происходит, когда футболисты бьют по мячу, придавая ему слабое вращение или вообще не закручивая его, и достигают при этом, казалось бы, непредсказуемой, иногда даже S-образной траектории полета».

«Как футболист, – добавила Сара Барбер, – я считаю, что это исследование окажет неоценимую помощь футболистам при отработке удара. Полученные данные также могут быть использованы фирмами-изготовителями при проектировании новых моделей мячей, что, в конечном счете, пойдет на пользу, как игрокам, так и зрителям. Благодаря проведенным исследованиям, в будущем мы, возможно, станем свидетелями еще более эффектных штрафных ударов. Полученные данные позволят улучшить аэродинамику мячей. Мяч будет более чутко реагировать на вращение, приданное ему искусным игроком».

Иначе говоря, мнение экспертов Шеффилдского университета отлично от оценки Кена Брея. Охота при помощи бумеранга может оказаться не менее зрелищной и увлекательной, чем охота с помощью винтовок. Дело лишь в том, чтобы участники состязания были в равных условиях, а исход его определялся их умением и ловкостью, для чего необходимо исключить влияние случайных факторов, таких как положение мяча в момент, когда его касается нога футболиста. Но сложность траектории не может еще служить доказательством ее случайного характера. Движение мяча Teamgeist в меньшей степени зависит от случайных факторов, чем движение его предшественников. Кто в этом споре прав, покажут дальнейшие исследования.