Sæt et nyt spin på fodboldspiralen

Kun en håndfuld forskere har undersøgt, hvorfor en amerikansk fodbold flyver i så enestående en bane, idet den river gennem luften med bemærkelsesværdig præcision, men også svinger, slingrer og endda tumler, mens den vælter ned ad banen. Nu har ballistiske eksperter ved Stevens Institute of Technology for første gang brugt deres forståelse af artillerigranater til at forklare denne unikke bevægelse, hvilket skaber den mest præcise model til dato af en fodbolds flyvning i spiral.

"Når en quarterback laver en god spiralpasning, ligner bolden bemærkelsesværdigt den for en artillerigranat eller en kugle, og militæret har brugt enorme ressourcer på at studere den måde, disse projektiler flyver på," forklarede John Dzielski, en Stevens' research. professor og maskiningeniør, hvis arbejde er rapporteret i The American Society of Mechanical Engineers' Open Journal of Engineering. "Ved at bruge velforståede ballistiske ligninger har vi været i stand til at modellere en fodbolds flyvning mere præcist end nogensinde før."

Faktisk sagde Dzielski, mens de ballistiske ligninger i sig selv ikke er voldsomt komplekse, kan de bevægelser, de forudsiger, være. Ligningerne indeholder mange udtryk, der repræsenterer alle de måder, hvorpå luften kan påvirke en skals bevægelse. Den første udfordring lå i at overveje hver variabel efter tur for at afgøre, hvilke der er vigtige, når de bruges i en ny eller anden kontekst.

Dzielski og medforfatter Mark Blackburn, en seniorforsker ved Stevens, tog først en udtømmende tilgang – modellerede alt fra en quarterbacks håndfasthed til effekten af ​​sidevind, til virkningen af ​​Jordens rotation – og udledte derefter ligninger, der fjernede faktorer, der ikke har ikke væsentlig indflydelse på en fodbolds flyvevej. For eksempel ændrer jordens rotation under en 60-yard pas endepunktet af passet med kun fire tommer. "Det viser sig, at Jordens rotation ikke har meget effekt på et fodboldpas - men nu ved vi det i hvert fald med sikkerhed," sagde Dzielski.

Modellering af en fodboldflyvning kaster lys over, hvad der adskiller gode afleveringer fra dårlige. Dzielski og kolleger viste ikke kun, at et spiralpas kan vakle i en langsom hastighed eller i en hurtig hastighed (eller en kombination af begge), men var også de første til at beregne, hvad disse frekvenser er for en fodbold. Hvis fodbolden slingrer langsomt, så var den godt kastet. Hvis den slingrer hurtigt, så drejede quarterbacken sit håndled (som at dreje en skruetrækker) eller skubbede sidelæns, da bolden blev sluppet. Håndleddet kunne have vridet sig, fordi quarterbacken blev ramt.

"Quarterbacks og trænere ved allerede dette intuitivt, men vi har været i stand til at beskrive fysikken på arbejde," sagde Dzielski.

En anden, mere overraskende opdagelse var, at Magnus-effekten, som får en roterende baseball til at glide eller svinge på grund af ændringer i lufttrykket, har bemærkelsesværdigt lille effekt på en spinnende fodbold. En fodbold snurrer langs den forkerte akse for at udløse Magnus-effekten, så eventuelle afvigelser i flyvebanen skal komme fra en anden kilde, såsom løftet skabt, når en bold vinkler gennem luften, forklarede Dzielski. "Mange mennesker tror, ​​at fodbolde svinger til venstre eller højre på grund af Magnus-effekten, men det er slet ikke tilfældet. Effekten af ​​Magnus-kraften er omkring det dobbelte af effekten af ​​Jordens rotation," sagde han.

Derudover viste Dzielski og Blackburn for første gang, at denne udsving hænger tæt sammen med, hvorfor bolden ender med næsen ned i slutningen af ​​passet, når den kastes med næsen opad.

Selvom Dzielskis og Blackburns arbejde repræsenterer den mest præcise model af en fodbolds flyvesti til dato, advarede Dzielski om, at der stadig er behov for mere arbejde. Fordi en fodbold snurrer og tumler, mens den rejser, er det næsten umuligt at bruge vindtunnelundersøgelser til nøjagtigt at registrere aerodynamikken af ​​en fodbold i bevægelse. "Det betyder, at vi endnu ikke har gode data til at indlæse vores model, så det er umuligt at skabe en nøjagtig simulering," sagde han.

I de kommende måneder håber Dzielski at finde finansiering til instrumenter, der kan fange aerodynamiske data fra en fritflyvende fodbold i virkelige omgivelser, ikke kun i vindtunneller. "Det er den eneste måde, vi vil være i stand til at få den slags data, vi har brug for," sagde han. "Indtil da vil en virkelig præcis - og præcis - måde at modellere en fodboldbane på forblive uden for rækkevidde." + Udforsk yderligere

En fotonisk kurvebold har eksempler fra den virkelige verden inden for fodbold, baseball