Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
Endast en handfull forskare har studerat varför en amerikansk fotboll flyger i en så unik bana, susar genom luften med anmärkningsvärd precision, men också svänger, vinglar och till och med tumlar när den rullar ner på planen. Nu har ballistikexperter vid Stevens Institute of Technology för första gången tillämpat sin förståelse av artillerigranater för att förklara denna unika rörelse, och skapat den mest exakta modellen hittills av flygningen av en spiralformad fotboll.
"När en quarterback gör en bra spiralpassning är bollens bana anmärkningsvärt lik den för en artillerigranat eller en kula, och militären har satsat enorma resurser på att studera hur dessa projektiler flyger", förklarade John Dzielski, en Stevens forskning. professor och maskiningenjör vars arbete redovisas i The American Society of Mechanical Engineers' Open Journal of Engineering. "Med hjälp av välförstådda ballistiska ekvationer har vi kunnat modellera en fotbolls flygning mer exakt än någonsin tidigare."
Faktum är att de ballistiska ekvationerna i sig inte är särskilt komplexa, sa Dzielski, men de rörelser som de förutsäger kan vara. Ekvationerna innehåller många termer som representerar alla de sätt som luften kan påverka ett skals rörelse. Den första utmaningen låg i att överväga varje variabel i sin tur för att avgöra vilka som är viktiga när de används i ett nytt eller annat sammanhang.
Dzielski och medförfattaren Mark Blackburn, en senior forskare vid Stevens, tog först ett uttömmande tillvägagångssätt – modellerade allt från en quarterbacks handenhet till effekten av sidvindar, till effekterna av jordens rotation – härledde sedan ekvationer som tog bort faktorer som inte påverkar inte en fotbolls flygbana nämnvärt. Till exempel, under en 60-yards pass, ändrar jordens rotation slutpunkten för passet med endast fyra tum. "Det visar sig att jordens rotation inte har någon större effekt på ett fotbollspass - men nu vet vi det åtminstone med säkerhet," sa Dzielski.
Att modellera en fotbollsflygning kastar ljus över vad som skiljer bra passningar från dåliga. Dzielski och kollegor visade inte bara att en spiralpassning kan vinkla i långsam takt eller i snabb takt (eller en kombination av båda), utan var också de första att beräkna vad dessa frekvenser är för en fotboll. Om fotbollen vinglar långsamt, då var den väl slängd. Om det vinglar snabbt, vred quarterbacken sin handled (som att vrida en skruvmejsel) eller knuffade i sidled när bollen släpptes. Handleden kan ha vridits för att quarterbacken blev påkörd.
"Quarterbacks och tränare vet redan detta intuitivt, men vi har kunnat beskriva fysiken på jobbet," sa Dzielski.
Ett annat, mer överraskande fynd var att Magnus-effekten, som får en spinnande baseboll att glida eller svänga på grund av förändringar i lufttrycket, har anmärkningsvärt liten effekt på en spinnande fotboll. En fotboll snurrar längs fel axel för att utlösa Magnus-effekten, så eventuella avvikelser i flygbanan måste komma från en annan källa, till exempel lyftet som skapas när en boll vinklar genom luften, förklarade Dzielski. "Många tror att fotbollar svänger åt vänster eller höger på grund av Magnus-effekten, men så är det inte alls. Effekten av Magnus-kraften är ungefär dubbelt så stor som effekten av jordens rotation", sa han.
Dessutom visade Dzielski och Blackburn, för första gången, att denna svängning är intimt kopplad till varför bollen hamnar nos-ner i slutet av passningen när den kastas med nosen uppåt.
Även om Dzielskis och Blackburns arbete representerar den mest exakta modellen av en fotbolls flygbana hittills, varnade Dzielski för att mer arbete fortfarande behövs. Eftersom en fotboll snurrar och tumlar när den färdas, är det nästan omöjligt att använda vindtunnelstudier för att noggrant registrera aerodynamiken hos en fotboll i rörelse. "Det betyder att vi ännu inte har bra data att mata in i vår modell, så det är omöjligt att skapa en korrekt simulering", sa han.
Under de kommande månaderna hoppas Dzielski hitta finansiering för instrument som kan fånga aerodynamiska data från en friflygande fotboll i verkliga miljöer, inte bara i vindtunnlar. "Det är det enda sättet vi kommer att kunna få den typ av data vi behöver," sa han. "Tills dess kommer ett verkligt exakt - och korrekt - sätt att modellera en fotbollsbana att förbli utom räckhåll." + Utforska vidare
