Цивилизация
Штрафные и угловые удары, в которых футболисту удается пустить мяч не по прямой, а по закрученной траектории, всегда привлекают внимание болельщиков, заставляя восхищаться мастерством игрока. Чего стоит один из самых эффектных голов в истории футбола, забитый в 1997 году бразильцем Роберто Карлосом в матче против французов.
Тогда будущий игрок и директор махачкалинского «Анжи» намеренно послал мяч со штрафной линии по кривой дуге и попал в ворота, хотя вратарь даже не сдвинулся с места.
Многие болельщики посчитали, что удар противоречил законам физики и попадание произошло случайно.
Ученым известно, что ключевым параметром, который отвечает за управляемость мяча, является гладкость его поверхности. Мяч «Джабулани», дизайн которого был разработан компанией Adidas к чемпионату мира 2010 года, был гладким. Грани нового мяча «Бразука», которым играют на мундиале-2014, более чем наполовину длиннее, что делает поверхность менее гладкой и полет более предсказуемым.
«Обтекание воздухом мяча довольно сложное и отчасти зависит от того, насколько груба его поверхность. Если мяч абсолютно гладкий, его закрутит не в ту сторону», — поясняет Джон Буш, профессор прикладной математики Массачусетского технологического института, недавно опубликовавший статью о динамике футбольного мяча.
«В другую сторону» — дословно означает то,
что абсолютно гладкий и негладкий мячи, закрученные с одинаковой скоростью, будут отклоняться в разные стороны.
Дело тут не в случайности, а в эффекте Магнуса, который первым описал еще Исаак Ньютон, наблюдавший за полетом теннисного мяча.
Этот эффект связан с тем, что разные стороны вращающегося в набегающем потоке воздуха мяча обдуваются с разными скоростями. Однако именно неровность его поверхности определяет то, в какую сторону будет закручиваться траектория мяча. Именно этому фактору посвящено исследование Буша «Аэродинамика прекрасной игры».
«Эффект Магнуса может менять свой знак. Обычно люди не воспринимают этот факт», — говорит автор статьи.
Причина кроется в том, как вращающийся мяч увлекает воздух в так называемом пограничном слое. Чем грубее поверхность мяча, тем легче создать классический эффект Магнуса и отклонить закрученный против часовой стрелки мяч влево. «Пограничный слой может быть ламинарным (без перемешивания), когда течение воздуха плавное, или турбулентным, когда образуются вихри. Переход между режимами зависит от того, как быстро закручен мяч. А то, где этот переход случается, зависит от грубости поверхности, от того, как сшит мяч. Если вы поменяете узор секций, распределение давления изменится», — пояснил Буш.
То, что обратный эффект Магнуса почти не наблюдается в футболе, связано с тем, что мячи никогда не делают абсолютно гладкими. И если в таких видах спорта, как крикет и бейсбол, форма мяча строго регламентирована, дизайн футбольных мячей постоянно эволюционирует.
Еще один интересный эффект, разобранный в статье Буша, возникает, когда футболист запускает мяч с минимальным вращением. В этом случае мяч может лететь, покачиваясь влево-вправо. У бразильцев, играющих в футбол с младенчества, это называют pombo sem asa, или «голубь без крыльев».
Такое движение мяча, утверждает Буш, возникает из-за того, что смена режима обтекания в пограничном слое с обеих сторон мяча постоянно происходит в разных точках. «Мяч движется сообразно распределению давления, которое постоянно меняется», — говорит исследователь. Так летел мяч, запущенный в позапрошлую субботу итальянцем Андреа Пирло в матче против англичан. Его удар смутил вратаря, но мяч ударился о перекладину.