Et spørgsmål om aerodynamik og amerikansk fodbold.

[ph1llip]

Hej allesammen,

Mit navn er Phillip og jeg har et spørgsmål om aerodynamik og amerikansk fodbold.

Til dagligt er jeg amerikansk fodboldspiller, nærmere sagt kicker, for det danske landshold og spiller til dagligt i tyskland. Min opgave på banen er uden overraskelse at sparke til fodbolden.

Mit spørgsmål går på, om jeg kan optimere mine "kickoffs", ved hjælp af aerodynamisk teori.

Jeg træner mine spark mellem 3-4 gange om ugen og vejret kan nå at skifte, især når jeg træner i danmark.
Som kicker elsker vi at sparke i medvind, bolden flyver længere og højere.
Men jeg har observeret at hvis jeg sparker bolden i ca. samme hastighed som medvinden så flyver den længere end hvis jeg sparker hårdere og derved får bolden til at flyver hurtigere end vinden hastighed at så bliver bolden bremset end smule?

Hvis dette er korrekt observeret, så fik det mig til at tænke. Hvis jeg, hver gang jeg træder ind på banen, kender forhold som, lufttemperatur, luftfugtighed og vindhastighed og -retning, optimere mit spark.

Som kicker, ved jeg godt at hvis jeg har modvind at så flyver bolden ikke lige så langt, men jeg det eneste jeg retter er min sparkeretning. Et eksempel kunne være jeg har en hård sidevinde der kommer fra min højre side. I sådan en situation vil jeg rette min spark så jeg sparker en smule "op imod vinden" så bolden har ca. samme slutpunkt.

Kendte faktorer.

Bolden:
fra spids til spids: 29.94cm
vægt: 411g
bolden tryk: 0.89bar
Boldens rotation i luften: ende over ende

Hvis der er anden information du skal bruge skriver du bare.

Tusind tak for hjælpen.

Phillip

PS: Til den venlige sjæl, som hjælper, får to fribilletter til en hjemmekamp i Berlin

[jj-]

Som kicker, ved jeg godt at hvis jeg har modvind at så flyver bolden ikke lige så langt, men jeg det eneste jeg retter er min sparkeretning. Et eksempel kunne være jeg har en hård sidevinde der kommer fra min højre side. I sådan en situation vil jeg rette min spark så jeg sparker en smule "op imod vinden" så bolden har ca. samme slutpunkt.

Jeg gætter på at:
1. I vindstille flyver bolden længst, hvis boldens startbane i lodret plan er ca. 45°
2. I medvind kan boldens startbane i lodret plan være 45°+ X°
3. I modvind kan boldens startbane i lodret plan være 45°- X°
4. I alle 4 tilfælde er den kinetiske energi i sparket en afgørende faktor.

I sidevind ville jeg også sparke lidt mod vinden så bolden når det forventede mål.

Ovenstående teorier bortfalde, hvis du lader Lucy holde bolden før du sparker
Charlie Brown, Lucy and the Football - YouTube.
https://www.youtube.com/watch?v=055wFyO6gag

Top Ten Trick Plays of College Football.
https://www.youtube.com/watch?v=0ZL_q7oUVrQ

rugby champion fodboldkamp – Android-apps på Google Play.
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.madelephantstudios.rugbychampion

Mvh jj

[ph1llip]

Jeg kan sige at et optimalt spark ville være:

en længde på ca. 70m
med en "hangtime" på 4 sekunder.

I dine gæt, mener du så, at i modvind, "sparke lavere" og i medvind "sparke højere"?

Et tilhørende spørgsmål, tror ikke jeg formulerede mig korrekt.

Hvis jeg opretholder lad os sige 45° i medvind, men sparker samme hastighed som vinden blæser, ville kunne opnå bedre resultater fremfor at sparke højere, med konstant fart på alle mine spark?

[jj-]

Forhåbentlig kan nogle af følgende links hjælpe dig?
Simple Missile Ballistics.
http://www.mpoweruk.com/figs/ballistics.htm

Ballistic Trajectory (2-D) Calculator - Computes the maximum height, range, time to impact, and impact velocity of a ballistic projectile.
http://www.convertalot.com/ballistic_trajectory_calculator.html

Det bedste ville måske være at installere tracker i football?
Data logging football _ Hackaday.
http://hackaday.com/2011/01/09/data-logging-football/

CMU Using GPS and Accelerometer Systems To Improve Football Officiating _ WIRED.
https://www.wired.com/2009/01/students-using/

Physics of Football - Air Resistance and the Football
https://www.youtube.com/watch?v=tdg4PmPL8ro

The Physics of Throwing a Football
https://www.youtube.com/watch?v=WZ-9N5zxgj4

Geometric Shapes - Science of NFL Football.
https://www.youtube.com/watch?v=ZrB18WP3jDI

Mvh jj

[ph1llip]

Forskellen på disse eksempler og mit problem er bolden i disse forsøg opfører sig som et missil.

I mit tilfælde roterer bolden ende over ende.
Set i profil, roterer den som en proppel.

[ph1llip]

https://youtu.be/7YB-f3Lx1Nw?t=1m29s her er et eksempel på boldens rotation i luften.

[harbst]

Der er to kræfter som påvirker bolden i lufte,
Der er tyngdekraften som vil få den til at falde nedad. Tyngdekraften er konstant, og virker hele tiden på bolden.  Hvis der kun var tyngdekraften kan man eftervise at den kommer længst ved at blive "skudt*" af sted med en 45° hældning.
Men der er også luftens kraft på bolden. luftmodstanden bremser bolden, så den ikke når så langt, inden den falder ned.
Men når bolden roterer vil der også være andre kræfter, som det vil føre for vidt at forklare om her. Hvis den roterer så oversiden kører frem i boldens retning, vil det medvirke til at holde den "svævende" længere end hvis rotationen var i modsat retning.

Vindhastigheden, selv i pænt blæsevejr, er så lav at bolden kun når ganske kort, hvis den kun sendes afsted med vindens hastighed.
Alt andt lige vil det altid være bedst at give bolden højest mulig starthastighed, og mest mulig rotation i den rigtige retning.

Det gælder både i medvind og modvind.



 

[Morten Jødal]

Jeg må indledningsvis skuffe spørgeren:
Der findes eksperter, der har rigtig godt styr på alle de kræfter, der påvirker et flyvende legeme.
De fleste af dem er ansat af flyfabrikker og er storforbrugere af avancerede computermodeller.
Jeg tror ikke det er muligt at give dig som spiller så gode datainput, at du kan nå at bruge beregningen i den korte tid, du har til at lave dit kick.
Omvendt har jeg set dygtige tennisspillere med ganske små vrid og skub i det rette splitsekund få en bold til at flyve så mystisk, at det tilsyneladende er imod naturlovene!
Det mest utrolige er, at når vi taler verdensklasse, er det ikke helt usædvanligt, at modspilleren når at afkode bevægelsen og returnere slaget!

Læren af dette er, at du faktisk har en meget avanceret computer siddende nogle få cm bag og lidt over dine øjne, og dens programmeringsmetode benyttes i stigende grad i diverse industrielle anvendelser. Det kaldes neurale netværk.
Så den - i denne sammenhæng nedslående - lære er, at du må holde dig til hvad du allerede gør: træning og optimering af spark. Som du givetvis også kombinerer med analyse af videoklip af egne og andres spark.

I forrige indlæg redegjorde harbst for de elementære kræfter i kastebevægelsen. Korrekt, men uinteressant, for han stoppede præcis der, hvor det begynder at blive spændende, når det ikke er et kast, men et beregnet spark med rotationsmuligheder. Og jeg er direkte uenig med ham i følgende:

Vindhastigheden, selv i pænt blæsevejr, er så lav at bolden kun når ganske kort, hvis den kun sendes afsted med vindens hastighed.

Ph1llip gjorde selv rede for, at han taler om et spark på 70 m og en svævetid på 4 sekunder. Det giver en vandret fart på 17,5 m/s, hvilke ifølge DMI svarer til hård kuling!
https://www.dmi.dk/hav/danmark/farvandsudsigter/vindstyrketabellen/
Så jeg vil på ingen måde afvise din egen observation og vil forklare den med, at din roterende bold vil give øget turbulens, når den bevæger sig hurtigere end vindhastigheden. Det bremser og kan sagtens give en direkte negativ opdrift.

Skal jeg slutte med lidt opmuntring, så findes der faktisk aerodynamikere, der ikke er ansat til at designe fly, men er sportsinteresserede, og en af dem har skrevet en bog om det. Colin White: Projectile Dynamics In Sport: Principles And Applications.
En lille smule af bogen kan læses lovligt på nettet, og det hele kan tilsyneladende downloades fra et par obskure hjemmesider, som jeg ikke vil linke til. Allerede domæneendelsen .ru til et site omhandlende en amerikansk bog giver ubehagelige tanker!
Det jeg kunne læse handlede om alle de kræfter harbst finder vil føre for vidt, men ikke specielt om en aflang football (jeg tror nok forfatteren er ishockeyspiller, men der er omtalt mange sportsgrene).
Så kan den hjælpe dig er det godt - men find den lovligt!

[ph1llip]

Tak for svar allesammen!

Jeg kan godt se det er en lidt mere kompleks simulering der skulle kunne give resultater så snart at bolden har den rotation i luften. Men det var et forsøg værd

[jj-]

Jeg kan godt se det er en lidt mere kompleks simulering der skulle kunne give resultater så snart at bolden har den rotation i luften. Men det var et forsøg værd

Men det kunne måske gøres lidt mere enkelt?
The drag force on an American football
http://users.df.uba.ar/sgil/physics_paper_doc/papers_phys/fluids/drag_football.pdf
Hvis opstillingen blev ændret så bollen rotere om den korte akse.

Mvh jj

[Morten Jødal]

Jeg ved ikke meget om american football - men dog lidt mere en før Ph1llip stillede sit spørgsmål, der gjorde mig nysgerrig.
Men det ser ud til, at et "kick" er en meget vigtig del af spillet, som man ikke bare laver om på!

Jeg ved, at jj- elsker videoer, så prøv youtube, som har mange om netop dette emne.
Denne synes jeg er meget instruktiv for begyndere - men der nogle hundrede mere!
https://www.youtube.com/watch?v=S32EtN-6tMQ

[ph1llip]

Formålet med dette indlæg var heller ikke at ændre "kicket". Det var hvis jeg ved hjem af videnskaben bag luftmodstand, turbulens etc. når bolden har den rotation som den har, kunne optimere min måde at sparke bolden på, hvor jeg har taget vejret i betragtning mere end jeg gør nu.

Som en kicker på mit niveau er det ikke "bare" at sparke til bolden. Man kan se det lidt som at en golf spiller har en golftaske med flere forskellige køller til forskellige scenarier.

Jeg har jo altid en idé om hvordan bolden vil opfører sig når jeg sparker på en bestemt måde, men nogle gange opfører bolden sig meget anderledes ved to identiske spark. Det kan jeg se når jeg filmer mine spark.
Og når jeg ser dette, prøver jeg at forstå hvorfor bolden opfører sig som den gør. Men hvis jeg vidste hvorfor den gjorde det, kunne jeg ændre sparket og derved være mere konsekvent over en række spark.

En teori jeg har er at jeg skal have hurtigere rotation i sidevind så tror jeg at bolden bliver påvirket mindre.

[B Mønnike]

Du har brug for at kende lidt til Magnus effekten.

På den vidio som Morten linker til ser man ikke hvad der er vigtigt.

Hvis man kunne sparke så boldens længste akse forblev lodret, hvilket reelt nok ikke er muligt, så skulle man når vinden kom ind fra højre,  give bolden et spin "mod uret" og modsat hvis vinden kom fra venstre.

Læg mærke til hvad der sker med bolden i vidioen  og  hvilken retning den får når  den skrues. Der vises også et forsøg med bolde fra en høj dæmning. Til sidst vises et skib med Flettnerrotorer der ar sejlet over Atlanten uden brug af sejl, men dog bugte motorer til at rotere rotorerne.

https://www.youtube.com/watch?v=2OSrvzNW9FE

[Morten Jødal]

Jeg kan se at ph1llip fortsat er hooked på ideen om at studere sagen videnskabeligt, så nu vil jeg gerne gå ind igen.
Den bog jeg omtalte i mit første svar må være det bedste bud, så jeg har fundet et link til en online-butik, der vil sælge bogen: http://trove.nla.gov.au/work/36563179?selectedversion=NBD46984850

Der er sikkert flere, og umiddelbart ville jeg ikke mene det var nødvendigt at købe den i Australien, når den er udgivet i hhv. England og USA - men det var altså mit første hit, da jeg søgte, og her har du alle nødvendige oplysninger.

Jeg kan se på ph1llips svar, at han forlængst er ude over stadiet med blot at studere youtube-videoer, og mit link til en sådan var da også kun beregnet på de følgere af tråden, der forsøgte at ændre spillereglerne i stedet for sparketeknikken.

[harbst]

Jeg var meget kortfattet med hvad der sker når bolden roterer.
Det detaljerne er en meget speget affære, som man ikke engang kan beregne præcist. Alt for mange tror at "luftmodstand" lader sig beregne. Men selv de bedste computerprogrammer med CFD ( Computer Fluid Dynamics) må bruge tricks med tilnærmelser og imperi, når det gælder turbulens og grænselaget mellem flydende og faste materialer.

En almindelig fodbold har en høj grad af symmetri. Energien i en rotation er uafhængig af hvilken akse det er omkring.
 
Anderledes med den amerikanske fodbold . Den har ligesom en riffelkuglen( der ikke er kugleformet) en lang og en kort  side.
Riffelkuglen er et af de mest undresøgte og beskrevne objekter. Man giver  med riffelgangen projektilet  en rotation, så den snurrer om længdeaksen. Rotationen gør at den som et gyroskop stritter imod at ændre stillingen under flugten . Hvis man skyder i  en retning skråt opad vil projektilet under hele banen bevare stillingen skråt opad . Dette medvirker til at den "flyver " længere, idet det ligesom med en skråtstillet flyvinge får et løft.

Din roterende fodbold har også gyrovirkning som gør at den bliver ved med at rotere om samme akse.  Samtidig vil den sætte den nærmeste omgivende luft i rotation. Der dannes en hvirvel , som igen giver en hydrodynamisk tværkraft . Denne er altid på tværs af hvirvlens længdeakse og den relative hastighed af den omgivende luft.
Hvad der derimod er yderst vanskeligt at afgøre, er om der kun er en konstant hvirvel eller der dannes en række forskellige ( en hvirvelalle). Hvis det sidste er tilfældet vil de bremse bolden, idet en væsenlig del af energien i dit spark går til at danne mange hvirvler, som ender som opvarmning af luften.

Jeg ville mene at det optimale ville være om du istedet kunne få bolden til at rotere om den anden akse . Jeg har ingen ide om hvordan det skulle gøres . Hvis bolden ikke ved sparket får en rotation vil  den ikke holde en stilling under flugten. 

Lidt simpel regning viser at det med at give bolden vindens hastighed , kun ville være fordelagtigt ved så store vindhastigheder at du dårligt kan stå oprejst. Så er kampen nok aflyst.