Adidas® Telstar® サッカーボールは 2018 FIFA World Cup™ の公式ボールで, Nike® Ordem V サッカーボールは, スペインのラ・リーガ, イングランドのプレミアリーグ, イタリアのセリエ A の上位3リーグを含む, ヨーロッパの7大国内リーグで使用されています. 以前, これら2つのサッカーボールの終端速度を測定するための実験セットアップについて説明しました. プレーヤーのパフォーマンスに影響を与える可能性のある違いがあるかどうかを確認しました. その結果は次のとおりです…
サッカーボール実験のセットアップ
リーフブロワーのチューブの上に吊り下げられたサッカーボールの位置は, 終端速度に反比例するはずだとすでに結論付けています. したがって, ボールの位置が高いほど終端速度は低くなり, 終端速度が低いほど抗力係数 (Cd) は高くなります. Cd 値が 0.2 と 0.15 の差は, リーフブロワーチューブ上のボールの位置に少なくとも 15% の差があるはずだと推定しました. 私たちは, そのような差を測定できると結論付けました.
それで, 私たちは作業を進めました. ボストンのビデオチームは, 私からの非常に厳しい指示に従ってテストリグを構築しました. 私は, 彼らに白衣を着用させ, ひげを剃り, 髪を切るようにさえさせました. すべては, 測定に適したモードに入るためです. このハイテクリグを下の図に示します.
概念実証中にボストンのビデオチームがセットアップしたハイテクリグ. 残念ながら, 誰も白衣を着ておらず, ひげも剃っていませんでした. 壁に少し近づきすぎたのかもしれません. パイプは少し曲がっていたので, 後で修正しました.
ボールからチューブまでの距離を測定
ハイテクテストリグではなかったかもしれませんし, 私たちのチームは結局ひげを剃っていなかったかもしれませんが, 測定結果はかなり良好でした. 以下のビデオでは, リーフブロワーからの気流によって吊り下げられた Adidas® Telstar® ボールと Nike® Ordem V ボールが紹介されています. また, ボールの位置を測定する目盛り付きの定規も確認できます.
ボールがリーフブロワーチューブの上の比較的安定したポイントに浮かんだ後, 各タイムシリーズで約 110 ～ 150 ポイントをサンプリングできました. 商標上の理由から, その後ボールからロゴを削除しました. ただし, どちらのボールも2つのメーカーの本物の高級ボールです. Nike® Ordem V ボールは冬用ボールですが, 色以外は Nike® Aerowtrac ボールの溝とマイクロテクスチャケースを備えた通常の Nike® Ordem V ボールです.
リーフブロワーのジェットで浮かせた Adidas® Telstar® (上) と Nike® Ordem V (下).
準備中に, 2つのボールの直径と質量も測定しました. 直径は2つのボールでほぼ同じで, Adidas® Telstar® ボールは 21.9 cm, Nike® Ordem V ボールは 21.7 cm (両方のボールで 22 cm に丸められています) でした. 質量は, Adidas® Telstar® ボールが 430 g, Nike® Ordem V ボールが 435 g でした. もちろん, これは2つのボールの圧力によって異なります. 同じ質量になるようにボールをポンピングしてみました. 質量の差は約 1.2% で, 許容範囲内だと判断しました.
結果: FIFA World Cup™ の準備に最適なボールはどれでしょうか?
結果はどうでしょう? 下の図は, 2つの測定シリーズにおけるリーフブロワーチューブ上のボールの位置を示しています. 2つのボールは, 同様の値付近を漂っています. 抗力係数に約 0.05 (0.2 と 0.15 を比較) の差があった場合, 2つのボールの平均位置に約 2 cm の差があることがわかります.
動きの振幅は約 1.6 ～ 1.7 cm ですが, 平均値は Adidas® Telstar® ボールで約 13.5 cm, Nike® Ordem V ボールで約 13.7 cm です. ただし, グラフからわかるように, この差はホバリングの振幅よりも大幅に小さくなっています. 差は大きくありません. 2つのボールの Cd 値に大きな差があった場合, どの測定でも, 計算から推定した 2 cm に近い位置の差は得られませんでした.
チューブ上の Adidas® Telstar® ボール (青い四角) と Nike® Ordem V ボール (オレンジ色の三角形) の位置.
興味深い点の1つは, 2つのボール間のホバリングの周波数がわずかに異なることです. Nike® Ordem V ボールはわずかに低い周波数を示していますが, その差はわずかです. Adidas® Telstar® ボールは 0.78 Hz, Nike® Ordem V ボールは 0.62 Hz です. この動作はすべての測定で見られます. Adidas® Telstar® ボールの周波数は 0.74 ～ 0.78 Hz の間で変化しますが, Nike® Ordem V ボールは 0.62 ～ 0.68 Hz の間で変化します.
この正弦波の動作の原因は何でしょうか. リーフブロワーでしょうか. その場合, 両方のボールの周波数は同じになります. 違いは小さいため, リーフブロワーがこれらの変動を引き起こしている可能性を完全に排除することはできません. ただし, ボールの後ろにある大規模な渦の分離の周波数である可能性があります. ボールの後ろの渦と後流により, ボールが回転していないときに横方向と上下方向に動きます. これは, ナックルボール効果 または ビーチボール効果 と呼ばれる効果です. 周波数は確かにその範囲内です.
したがって, 私たちの実験では, 2つのボールの違いを検出した可能性があります. 周波数が高いほど, ボールの後ろの航跡が小さくなり, 渦も小さくなるはずです. 航跡が小さくなるのは, 風に面したボールの表面で乱流が早く発生するためと考えられます.
違いの原因は?
下の図は, 溶接された継ぎ目によって分離された Adidas® Telstar® ボールのパネルを示しています. 継ぎ目の全長は約 4.30 m で, Adidas® Brazuca® ボールの 3.22 m や通常の32パネルボールの 3.53 m と比較して高い値です. 継ぎ目の深さは約 1.5 mm で, Adidas® Brazuca® ボールとほぼ同じで, ステッチボールよりも深いです.
継ぎ目の全長を測定するため COMSOL Multiphysics® ソフトウェアで描画された Adidas® Telstar® ボールパネルの表現.
Nike® Ordem V も, 通常の32パネルボールに比べて継ぎ目の全長が長くなっています. この場合, 継ぎ目をエミュレートすると思われる溝があり, 各大きな五角形を小さな単位に分割しています. その結果, 12の正五角形面と20の六角形面ができ, 20の六角形面のそれぞれが中央に沿って溶接継ぎ目で分割されています. これにより, エミュレートされた継ぎ目の長さは, Aerowtrac 溝の場合は約 4.14 m, 溶接継ぎ目の場合は約 2.37 m と推定され, 合計 6.51 m になります. 継ぎ目は溝よりもやや狭くなっています. 溝の深さは約 1.5 mm ですが, 溶接継ぎ目の深さは 1.2 mm です.
Nike® Ordem V ボールの単位セルの図. このボールは, 12個の溶接された五角形だが湾曲した単位セル (青いエッジ) と, より小さな五角形の溝と線 (灰色) が付いたパネルで構成されています.
Nike® Ordem V ボールには12個のパネルがあります. ここに示す表現は3つの異なる色に分かれています. 各パネルの内側には Nike® Aerowtrac 溝があります.
どちらのボールも, 通常の32パネルボールに比べて “継ぎ目” (または継ぎ目を模した溝) がかなり長くなっています. Nike® Ordem V ボールの広い溝の長さと深さは, Adidas® Telstar® ボールの深さと継ぎ目の合計長さに匹敵します. これは何を意味するのでしょうか. Nike® Ordem V ボールの継ぎ目と溝の合計長さが長いため, 抗力係数がわずかに高くなるはずです. その可能性はありますが, 浮上高さにまったく違いが見られなかったことを考えると, その差は Adidas® Telstar® ボールと比べて比較的小さいでしょう.
Adidas® Telstar® ボール (左) と Nike® Ordem V ボール (右) の継ぎ目.
継ぎ目が長いということは, Nike® Ordem V ボールの方が Adidas® Telstar® ボールよりも低速で乱流境界層が安定していることを意味している可能性があります. そのため, 境界層が乱流から層流に変化する 抗力危機 では, 2つのボールの速度が異なり, Adidas® Telstar® ボールの方が速度が速い可能性があります. ただし, ボールの表面構造と継ぎ目の長さが非常に長いこと (Adidas® Brazuca® ボールや Jabulani® ボールなどの以前のボールと比較して) を考慮すると, この差は小さいと考えられます. Adidas® Telstar® ボールには平織り構造に似た長方形の刻印があり, Nike® Ordem V ボールには非常に目立たない円形の突起と, 溶接された継ぎ目と平行に走るストライプがあります. Adidas® Telstar® ボールのより顕著な表面構造により, 抗力危機時の速度が低下し, ボール間の継ぎ目と溝の長さの差が均等化されます.
Adidas® Telstar® ボール (左) と Nike® Ordem V ボール (右) の表面構造. この写真はポンピング手順中に撮影されました.
Adidas® Telstar® ボールと Nike® Ordem V ボールは, 特定の衝撃 (キック) が与えられたときの速度, ボールにスピンが与えられたときのスピンの開始 (マグヌス効果), およびボールをまったくスピンせずにキックしたときのナックルボール効果 (ビーチボール効果) の開始速度の両方において, 空中で同様の動作をすると考えられます. おそらく, マグヌス効果の開始時 (ボールが曲がるとき) およびビーチボール効果の開始時 (ボールが横や上下に動き始めるとき) には, Adidas® Telstar® ボールの方がわずかに高い速度になる可能性があります.
同等のボール = 論争なし
測定の誤差についてはどうでしょうか? このシリーズの前回のブログで述べたように, 私たちは風洞を持っておらず, このような実験を行うのは今回が初めてです. 時間もリソースもほとんどありませんでした. 実験をやり直す時間があれば, 同じパイプに接続されたリーフブロワーを少なくとも4台使用していたでしょう. そうすれば, 2つのボールの仰角が上がり, 終端速度での Cd 値の差を小さく測定できたでしょう. ボールがリーフブロワーのチューブに非常に近い位置で浮遊していたため, ボールの後ろに非常に大きな分離ゾーンができた可能性もありますが, これが実験の妨げになったようには見えません.
また, 流量を測定するためのピトー管と, 最後の直線管の下部入口に高多孔質のハニカム構造を導入して, 管の出口で流れが均一で大きな渦がないことを確認することもできました.
より制御された強力な流れを使用した将来の実験の計画.
おそらく, この実験セットアップは次の FIFA World Cup™ 用です. 2018年については, ボールが論争を引き起こすことはないと確信しています. 測定の結果, Adidas® Telstar® ボールと Nike® Ordem V ボールのホバリング頻度にわずかな違いが見られました. 近いですが, 同一ではありません.
それでも, どのチームもリスクを冒すつもりはないようです. Nike がスポンサーのチームを含むすべてのチームが, FIFA World Cup™ に向けてより良い準備を行うために Adidas® Telstar® ボールで練習やプレーをしているのが見られました. 私はどう思うか? Adidas® Jabulani® ボールの方が好きです. マグヌス効果とビーチボール効果の開始時の抗力係数が極めて低く, 速度が速いため, 見事なフリーキックや長距離シュートができます. でも, 私はゴールキーパーになったことはありません…
その他の資料
- サッカーボール実験の理論と設定について詳しくは, このブログシリーズのパート 1 をお読みください:
- スポーツの物理学に関するその他のブログを参照してください:
Adidas および Brazuca は adidas AG の登録商標です. Telstar および Jabulani は adidas International Marketing B.V. の登録商標です. COMSOL AB およびその子会社および製品は adidas AG または adidas International Marketing B.V. と提携, 承認, 後援, またはサポートされていません.
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