Wissenschaft & Sport

Zur Physik des WM-Balls

Gute Nachrichten für die Torhüter und schlechte für die Stürmer. Der diesjährige WM-Ball flattert deutlich weniger als seine Vorgängermodelle. Das haben japanische Wissenschaftler im Windkanal herausgefunden. Doch wie ist das Flattern aus aerodynamischer Sicht zu erklären? Und welche physikalischen Effekte stecken hinter der Bananenflanke?

Die Physik eines fliegenden Fußballs erscheint auf den ersten Blick simpel: Der Ball verlässt den Fuß des Spielers mit der höchsten Geschwindigkeit und wird im Verlauf seines Fluges von der Luft immer weiter abgebremst. Die Größe des Balls, sein Strömungswiderstand (cW-Wert) und die Dichte der Luft begrenzen die Geschwindigkeit des Balles. Die Flugbahn beschreibt eine Parabel. Doch es gibt weitere Faktoren, die die Richtung der Flugbahn beeinflussen.

Zoom Der Magnus-Effekt: Das Bild zeigt, wie sich die Strömungsgeschwindigkeiten der Luftschichten um den rotierenden Ball verändern. Höhere Geschwindigkeiten der Luftschichten bedeuten einen geringeren Druck. Bild: Wikipedia, CC BY-SA 3.0

Da ist zunächst der Magnus-Effekt. Jeder Spieler weiß, dass sich die Flugbahn des Balles ändert, wenn er dem Ball einen Spin gibt. Rotiert der Ball bei seinem Flug um die eigene Achse, bremst die den Ball umgebende Luftschicht, die entgegenkommende Luft auf der einen Seite leicht ab, auf der anderen Seite des Balles nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu. Das führt zu einem Überdruck auf der Seite, an der die Luft langsamer strömt. Der Ball weicht dem höheren Druck aus und beschreibt daher eine gekrümmte Flugbahn. Gute Spieler setzen diesen Effekt gezielt ein, um den Ball gekonnt über das Spielfeld zu manövrieren - im besten Fall ins Tor.

Für Physiker und Torhüter weniger leicht durchschaubare Phänomene treten allerdings bei hohen Fluggeschwindigkeiten auf. Oberhalb von 90 km/h - Schüsse von Ronaldo und Co erreichen mehr als 120 km/h - nimmt der Luftwiderstand deutlich langsamer zu. An einem durch die Luft fliegenden Ball haftet eine Luftschicht, die sich an der entgegenkommenden Luft reibt. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten bilden sich kleine wirbelförmige Strömungen. Sie sorgen dafür, dass die Luft den Ball - mitsamt der kleinen Wirbelstürme - leichter umfließt.

Ein anderes Phänomen, das erst bei hohen Geschwindigkeiten auftritt, ist das gefürchtete Flattern des Balls - gemeint sind Richtungsänderungen der Flugbahn bei hohen Geschwindigkeiten. Schuld sind vor allem die Nähte des Balles. Die Vertiefungen in der Oberfläche sorgen auch ohne Rotation für Unterschiede in der Geschwindigkeit, mit der die Luft über den Ball streicht. Steht eine Naht quer zur Strömungsrichtung, kommt es zu Verwirbelungen und einem Abbremsen der Luft. Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit sorgen wiederum für Druckunterschiede und führen damit zu Richtungsänderungen. Je nachdem, in welcher Ausrichtung der Ball durch die Luft fliegt, sind diese Unterschiede nicht symmetrisch auf der Oberfläche verteilt. Die Effekte sind in diesem Fall für die Spieler also kaum vorherzusehen.

Wissenschaftler von der Tsukuba-Universität in Japan haben den diesjährigen WM-Ball Brazuca und die Vorgängermodelle im Windkanal getestet. Sie konnten in standardisierten Versuchen mit Schießrobotern zeigen, dass der Brazuca die stabilste Flugbahn hat. „Die Instabilitäten im Flugverhalten unterscheiden sich erheblich, je nach Modell“, schreiben die Wissenschaftler. Als eher flatterhaft erwies sich der Spielball der WM 2010, ein Ergebnis, dass sich mit den subjektiven Erfahrungen der Spieler deckt. Bei der WM in Südafrika klagten vor allem die Torhüter immer wieder über das Flattern der Bälle. Auch die Mikro-Struktur der Oberfläche spielt offenbar eine Rolle für die Stabilität der Flugbahn. Brazuca ist mit etwa 50.000 winzigen Noppen besetzt. Welchen Einfluss sie auf die Aerodynamik haben, wollen die Wissenschaftler noch herausfinden - zu sehen sind die Unterschiede zu den vorherigen Modellen vielleicht schon vorher, live auf den Spielfeldern Brasiliens.

Effect of panel shape of soccer ball on its flight characteristics (Scientific Reports)

18.06.2014 , Martin Trinkaus