Новости

Jul 27, 2023

Физика хранит секрет крайне непредсказуемой «плавающей подачи» в волейболе.

Дженнифер Уэллетт - 14 ноября 2019 г., 14:59 UTC Хорошая плавающая подача в

Дженнифер Уэллетт - 14 ноября 2019 г., 14:59 UTC

Хорошая флоат-подача в нужный момент в волейболе может решить или сломать напряженную игру, поскольку траекторию мяча очень сложно предсказать. По данным недавней статьи, опубликованной в журнале Applied Sciences, именно поверхностные панели обычных волейбольных мячей приводят к непредсказуемым траекториям, а изменение структуры поверхности может обеспечить более стабильный полет.

Все сводится к гравитации и аэродинамике. Любой движущийся мяч оставляет за собой воздушный след, летящий по воздуху. Неизбежное сопротивление замедляет мяч. На траектории различных спортивных мячей влияют не только их диаметр и скорость, но и малейшие неровности на их поверхности. Например, на мячах для гольфа есть ямочки, а на бейсбольных мячах — строчка в виде восьмерки — оба достаточно неровные, чтобы повлиять на поток воздуха вокруг мяча.

Хорошо известно, что движение бейсбольного мяча создает вокруг себя водоворот воздуха, широко известный как эффект Магнуса. Приподнятые швы перемешивают воздух вокруг мяча, создавая в различных местах зоны повышенного давления, которые (в зависимости от типа поля) могут вызвать отклонения в его траектории. Ямочки на мяче для гольфа уменьшают сопротивление потоку, создавая турбулентный пограничный слой воздуха, в то время как вращение мяча создает подъемную силу, создавая область более высокого давления воздуха в нижней части мяча, чем в верхней.

Рисунок поверхности волейбольных мячей также может влиять на их траекторию. Обычные волейбольные мячи имеют шесть панелей, но более поздние конструкции имеют восемь панелей, шестиугольный сотовый узор или ямочки.

В прошлом было проведено множество исследований по изучению аэродинамики спортивных мячей: мячей для гольфа, крикета, тенниса, бейсбола, регби и футбола. Но по какой-то причине исследований по физике волейбольных мячей было мало. Еще в 2010 году Такеши Асаи из Университета Цукубы и несколько японских коллег решили исправить это, проведя серию экспериментов в аэродинамической трубе с тремя типами шаров с совершенно разным рисунком поверхности: обычный расплавленный шар с шестью панелями; новый расплавленный шар с сотовым узором; и мяч Микасы с ямочками. Они использовали роботизированное устройство, чтобы «обслуживать» мячи, чтобы обеспечить единообразие, а затем измеряли коэффициенты сопротивления для каждого мяча.

Коэффициент сопротивления описывает, насколько поток воздуха «прилипает» к поверхности мяча. Чем быстрее движется мяч, тем менее «липким» он становится. Обычно следы больше, а сопротивление выше на малых скоростях, но если мяч достигает критического порога скорости, он испытывает так называемый «кризис сопротивления»: след внезапно сжимается, и сопротивление резко падает. По сути, это момент, когда поток воздуха резко переключается с ламинарного (плавного) на турбулентный. Этот критический порог скорости — скорость, при которой поток воздуха становится по-настоящему турбулентным — может значительно различаться только среди волейбольных мячей.

В исследовании 2010 года каждый мяч подавался 20 раз с тремя разными ориентациями панелей. Авторы обнаружили, что для идеально гладких сфер критическая скорость составляет около 25 метров в секунду или около 56 миль в час. Все протестированные ими волейбольные мячи показали более низкие критические скорости, чем гладкая сфера. Традиционный расплавленный шар имел такое же низкое сопротивление, в то время как расплавленный шар с сотовым рисунком имел более высокое конечное сопротивление. Асаи и его соавторы предположили, что это может быть связано с тем, что сотовый рисунок увеличивает шероховатость поверхности мяча, в то время как ориентация поверхности (в поперечном или диагональном направлении) традиционного мяча при подаче меняет то, как воздух обтекает мяч в середине. -полет, влияющий на его траекторию.

В своем последнем исследовании Асаи и несколько его коллег использовали четыре разных типа волейбольных мячей — два с панелями, один с сотовым рисунком и один с ямочками — для изучения аэродинамики плавающей подачи. В отличие от быстрой подачи с верхним вращением или подачи в прыжке, которые следуют по довольно предсказуемым траекториям полета, плавающая подача не имеет вращения. Из-за этого сложно предсказать траекторию мяча; он может неожиданно отклониться, давая серверу конкурентное преимущество.