¿Importa con qué pelota se practican los equipos de la Copa Mundial de la FIFA ™?

El balón de fútbol Telstar® de Adidas® es el balón oficial de la Copa Mundial de la FIFA 2018 ™, y el balón de fútbol Nike® Ordem V se utiliza en las siete ligas nacionales más grandes de Europa, incluidos los tres primeros: la Liga española, el inglés Premier League, y la Serie A italiana. Anteriormente, discutimos una configuración experimental para medir la velocidad terminal de estas dos balones de fútbol para ver si hay una diferencia que podría afectar el rendimiento del jugador. Esto es lo que encontramos …

Configurando el experimento de la pelota de fútbol

Ya hemos concluido que la posición de un balón de fútbol suspendido sobre el tubo de un soplador de hojas debe ser inversamente proporcional a la velocidad del terminal. Por lo tanto, una posición de bola más alta corresponde a una velocidad de terminal más baja, y una velocidad de terminal inferior significa un coeficiente de resistencia de arrastre más alto ( C _d ). Estimamos que una diferencia entre un C _d valor de 0.2 y 0.15 debe dar al menos un 15% de diferencia en la posición de la bola por encima del tubo soplador de hojas. ¡Concluimos que podríamos medir tal diferencia!

Entonces, fuimos. Nuestro equipo de video en Boston construyó la plataforma de prueba bajo instrucciones muy estrictas de mi parte. Incluso los obligué a usar batas de laboratorio blancas, afeitarme y cortarles el pelo, todo por el simple hecho de estar en el modo correcto para las medidas. La plataforma de “alta tecnología” se muestra en la figura a continuación.

El equipo de alta tecnología creado por el equipo de video en Boston durante la prueba de concepto. Desafortunadamente, ninguno de ellos usaba batas de laboratorio, ¡ni se afeitaban! Quizás también estaban parados demasiado cerca de la pared. La tubería se corrigió más tarde, ya que estaba un poco torcida.

Medición de la distancia desde la bola al tubo

Bien, tal vez no era una plataforma de prueba de alta tecnología y tal vez nuestro equipo no se afeitó después de todo, pero las mediciones resultaron bastante bien. Los videos a continuación muestran la pelota Adidas® Telstar® y la bola Nike® Ordem V suspendidas por el flujo de aire del soplador de hojas. También podemos ver la regla calibrada que mide la posición de la pelota.

Pudimos probar alrededor de 110-150 puntos en cada serie de tiempo una vez que la bola estaba flotando en un punto relativamente estable sobre el tubo soplador de hojas. Por motivos de marca registrada, eliminamos los logotipos de las bolas después. Pero ambas bolas son bolas reales de alta calidad de los dos fabricantes. La pelota Nike® Ordem V es la pelota de invierno, pero además del color, debe ser una pelota regular Nike® Ordem V con los surcos de bola Nike® Aerowtrac y la carcasa microtexturizada.

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El Adidas® Telstar® (arriba) y el Nike® Ordem V (abajo), levitados por el chorro de un soplador de hojas.

Durante las preparaciones, también medimos el diámetro y la masa de las dos bolas. El diámetro fue aproximadamente el mismo para las dos bolas: 21.9 cm para la pelota Adidas® Telstar® y 21.7 cm para la pelota Nike® Ordem V (redondeada a 22 cm para ambas bolas). La masa fue de 430 g para la pelota Adidas® Telstar® y de 435 g para la pelota Nike® Ordem V. Esto depende, por supuesto, de la presión de las dos bolas. Intentamos bombearlos para obtener la misma masa. La diferencia en la masa fue de aproximadamente 1,2%, que consideramos aceptable.

Los resultados: ¿qué bola es mejor para los preparativos de la Copa Mundial FIFA?

¿Qué hay de los resultados? La figura siguiente muestra la posición de la bola sobre el tubo soplador de hojas para dos de las series de medición. Las dos bolas se mueven alrededor de valores similares. Si hubiera una diferencia en el coeficiente de arrastre de alrededor de 0.05 (0.2 en comparación con 0.15), deberíamos poder ver una diferencia de casi 2 cm en la posición promedio de las dos bolas.

La amplitud del movimiento es de aproximadamente 1.6-1.7 cm, mientras que el valor promedio es de aproximadamente 13.5 cm para la pelota Adidas® Telstar® y 13.7 para la pelota Nike® Ordem V. Sin embargo, como podemos ver en las representaciones, esta diferencia es sustancialmente menor que la amplitud del vuelo estacionario. La diferencia no es significante. En ninguna de las mediciones obtuvimos una diferencia en la posición que se acercó a los 2 cm que estimamos a partir de nuestros cálculos, si hubo una gran diferencia en los valores de C_d de las dos bolas.

La posición sobre el tubo para la pelota Adidas® Telstar® (cuadrados azules) y la bola Nike® Ordem V (triángulos anaranjados).

Un detalle interesante es que la frecuencia en el vuelo estacionario entre las dos bolas es ligeramente diferente. La bola Nike® Ordem V se muestra en una frecuencia ligeramente inferior, aunque la diferencia es pequeña: 0,78 Hz para la pelota Adidas® Telstar® y 0,62 Hz para la pelota Nike® Ordem V. Este comportamiento se observa en todas las mediciones: la frecuencia de la bola Adidas® Telstar® varía entre 0,74 y 0,78 Hz, mientras que la bola Nike® Ordem V varía entre 0,62 y 0,68 Hz.

¿Cuál podría ser la causa de este comportamiento sinusoidal? ¿Podría ser el soplador de hojas? Si ese fuera el caso, entonces la frecuencia sería la misma para ambas bolas. La diferencia es pequeña, por lo que no podemos descartar por completo que el soplador de hojas presente estas fluctuaciones. Sin embargo, podría ser la frecuencia en la separación de los remolinos a gran escala detrás de las bolas. El vórtice y las estelas detrás de la pelota hacen que se mueva hacia los lados y hacia arriba y hacia abajo cuando la pelota no tiene un giro; un efecto llamado efecto de bola de nudillos o efecto de pelota de playa. La frecuencia está ciertamente dentro de ese rango

Entonces, con nuestro experimento, posiblemente hayamos detectado una diferencia entre las dos bolas. Una frecuencia más alta debería significar una estela más pequeña detrás de la pelota, lo que también implicaría remolinos más pequeños. La estela más pequeña puede ser causada por un inicio más temprano de turbulencia en la superficie de la pelota que mira al viento.

¿Qué causó la diferencia?

La figura a continuación muestra los paneles de la bola Adidas® Telstar® separados por las costuras soldadas. La longitud total de las costuras es de aproximadamente 4,30 m, que es un valor alto en comparación con 3,22 m para la pelota Adidas® Brazuca® y 3,53 m para una bola regular de 32 paneles. Las costuras tienen aproximadamente 1,5 mm de profundidad, que es aproximadamente lo mismo que la bola Adidas® Brazuca® y más profunda que una bola cosida.

Una representación de los paneles de bolas Adidas® Telstar® dibujados en el software COMSOL Multiphysics® para medir la longitud total de las costuras.

El Nike® Ordem V también tiene una longitud de costura total más alta en comparación con una bola regular de 32 paneles. En este caso, tenemos surcos que probablemente se supone que emulan las costuras, que dividen cada pentágono más grande en unidades más pequeñas. Esto da como resultado 12 caras pentagonales regulares y 20 caras hexagonales, donde cada una de las 20 caras hexagonales está dividida por una costura soldada por fusión a lo largo del centro. ¡Esto da una longitud de costura emulada estimada de aproximadamente 4.14 m para las ranuras Aerowtrac y alrededor de 2.37 para las costuras soldadas con fusible para un total de 6.51 m! Las costuras son algo más estrechas que los surcos. La profundidad de las ranuras es de aproximadamente 1,5 mm, mientras que las costuras soldadas con fusibles tienen 1,2 mm de profundidad.

Una representación de la celda unitaria de la bola Nike® Ordem V. La bola consta de 12 celdas unitarias pentagonales pero curvadas (bordes azules) y paneles con surcos y líneas pentagonales más pequeños (gris).

Hay doce paneles en la bola Nike® Ordem V. La representación que se muestra aquí se divide en tres colores diferentes. Dentro de cada panel se encuentran las ranuras Nike® Aerowtrac.

Ambas bolas tienen “costuras” sustancialmente más largas (o surcos que emulan las costuras) en comparación con la bola normal de 32 paneles. La longitud y la profundidad de los surcos más anchos de la pelota Nike® Ordem V son comparables con la profundidad y la longitud total de la costura de la pelota Adidas® Telstar®. ¿Qué significa esto? La longitud total más grande de las costuras y los surcos de la bola Nike® Ordem V debería dar como resultado un coeficiente de resistencia un poco más alto. Este podría ser el caso, pero la diferencia sería relativamente pequeña en comparación con la pelota Adidas® Telstar®, teniendo en cuenta que no vimos ninguna diferencia en la altura de la levitación.

Costura de la bola Adidas® Telstar® (izquierda) y la bola Nike® Ordem V (derecha).

La costura más larga puede implicar que la capa límite turbulenta es estable a velocidades más bajas para la bola Nike® Ordem V en comparación con la bola Adidas® Telstar®. Entonces, las dos bolas pueden tener una velocidad diferente en la crisis de resistencia, donde la capa límite cambia de turbulenta a laminar, con una velocidad más alta para la pelota Adidas® Telstar®. Sin embargo, esta diferencia es probablemente pequeña, considerando tanto la estructura de la superficie de las bolas como los valores muy altos de las longitudes de la costura (en comparación con las bolas anteriores, como la bola Adidas® Brazuca® y la bola Jabulani®). La pelota Adidas® Telstar® tiene huellas rectangulares similares a una estructura de tejido liso, mientras que la pelota Nike® Ordem V tiene proyecciones circulares muy discretas y franjas paralelas a las costuras soldadas con fusibles. La estructura superficial más pronunciada de la pelota Adidas® Telstar® debería reducir la velocidad en la crisis de resistencia e igualar la diferencia en la longitud de la costura y la ranura entre las bolas.

Estructura superficial de la bola Adidas® Telstar® (izquierda) y la bola Nike® Ordem V (derecha). La foto fue tomada durante el procedimiento de bombeo.

La pelota Adidas® Telstar® y la pelota Nike® Ordem V probablemente se comporten de manera similar en el aire, tanto por la velocidad cuando se le da un determinado impulso (una patada), el inicio del giro cuando se le da un giro a la pelota ( el efecto Magnus ), y la velocidad para el inicio del efecto bola de nudillo (efecto pelota de playa) cuando la pelota es pateada sin ningún giro. Tal vez la pelota Adidas® Telstar® podría tener una velocidad ligeramente mayor cuando el efecto Magnus se establece (cuando la pelota se curva) y una velocidad ligeramente más alta cuando se establece el efecto de pelota de playa (cuando la pelota comienza a moverse hacia los lados y arriba y abajo) .

Bolas comparables = sin controversias

¿Qué pasa con los errores en nuestras mediciones? Como mencioné en la publicación de blog anterior en esta serie, no tenemos túnel de viento y esta es la primera vez que realizamos un experimento de este tipo. Tuvimos muy poco tiempo y recursos limitados. Si tuviéramos tiempo de rehacer los experimentos, habríamos utilizado al menos cuatro sopladores de hojas conectados a la misma tubería. Esto habría dado un punto de elevación más alto para las dos bolas y permitió medir pequeñas diferencias en el valor C _d a la velocidad terminal. El hecho de que la bola quede tan cerca del tubo del soplador de hojas también podría haber causado zonas de separación muy grandes detrás de la bola, aunque esto no parece haber perturbado nuestros experimentos.

También podríamos haber introducido un tubo Pitot para medir la velocidad de flujo y una estructura de nido de abeja altamente porosa en la entrada inferior del último tubo recto para garantizar que el flujo sea uniforme y libre de grandes remolinos en la salida del tubo.

Planes para un futuro experimento con un flujo más controlado y poderoso.

Tal vez esta configuración experimental sea para la próxima Copa Mundial de la FIFA ™. Para 2018, estamos bastante convencidos de que la pelota no presentará ninguna controversia. Nuestras mediciones muestran una ligera diferencia en la frecuencia de vuelo entre la pelota Adidas® Telstar® y la pelota Nike® Ordem V: están cerca, pero no son idénticas.

Aún así, ninguno de los equipos parece correr riesgos. Todos los equipos, incluidos los patrocinados por Nike, han sido vistos practicando y jugando con la pelota Adidas® Telstar® para prepararse mejor para la Copa Mundial de la FIFA ™. ¿Yo? Prefiero la pelota Adidas® Jabulani®. ¡El coeficiente de arrastre extremadamente bajo y la alta velocidad en el inicio de Magnus y los efectos de pelota de playa facilitan espectaculares tiros libres y tiros de largo alcance! Pero, de nuevo, nunca he sido un portero …

Adidas y Brazuca son marcas registradas de adidas AG. Telstar y Jabulani son marcas registradas de adidas International Marketing BV COMSOL AB y sus subsidiarias y productos no están afiliados, respaldados, patrocinados o respaldados por adidas AG o adidas International Marketing BV

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