Bóng World Cup dưới góc nhìn vật lý như thế nào?

[sunshine1104]

Các nhà sản xuất phải chọn vật liệu, tính số lượng miếng ghép, đường nối và kết cấu bề mặt với khí động học thích hợp để đảm bảo tốc độ di chuyển bóng trong không khí.


Quả bóng Al Rihla tại World Cup 2022 ở Qatar. Ảnh: Korean Herald

Tương tự như mọi kỳ World Cup, tại World Cup 2022 ở Qatar, các cầu thủ sẽ sử dụng một quả bóng mới. Những đội bóng tham gia thi đấu không bao giờ muốn đồ vật quan trọng nhất giải hoạt động theo cách không ngờ tới, vì vậy nhà tổ chức cần bỏ nhiều công sức để đảm bảo mỗi quả bóng đều mang đến cảm giác quen thuộc cho cầu thủ. John Eric Goff, giáo sư ở Đại học Lynchburg, chuyên nghiên cứu vật lý thể thao. Cứ 4 năm, ông lại tiến hành phân tích mẫu bóng World Cup mới để tìm hiểu yếu tố nào giúp tạo ra quả bóng hoàn hảo cho môn thể thao vua.

Giữa những cú sút vào khung thành, đá phạt và đường truyền dài, nhiều khoảnh khắc đáng nhớ trong bóng đá xảy ra khi quả bóng ở trong không trung. Vì vậy, một trong nhiều đặc điểm quan trọng nhất của bóng đá là cách quả bóng di chuyển trong không khí. Khi quả bóng di chuyển, một lớp mỏng chủ yếu là không khí tĩnh gọi là lớp ranh giới bao quanh một số vị trí trên quả bóng. Ở tốc độ thấp, lớp ranh giới này sẽ chỉ bao phủ mặt trước của quả bóng. Trong trường hợp này, sự vận động của không khí phía sau quả bóng được gọi là dòng chảy tầng.

Tuy nhiên, khi quả bóng di chuyển nhanh, lớp ranh giới bao phủ nhiều hơn xung quanh quả bóng. Khi luồng khí tách ra khỏi bề mặt quả bóng, nó kéo theo một loạt xoáy cuộn. Quá trình này gọi là dòng chảy rối. Khi tính toán không khí dịch chuyển truyền bao nhiêu lực tới vật thể dịch chuyển, các nhà vật lý sử dụng thuật ngữ gọi là hệ số cản. Ở tốc độ cho trước, hệ số cản càng cao, vật thể càng chịu nhiều lực cản.

Hệ số cản của một quả bóng đá đối với dòng chảy tầng thường lớn gấp khoảng 2,5 lần so với dòng chảy rối. Dù nghe có vẻ hơi ngược, bề mặt gồ ghề của quả bóng cản trở sự tách ra của lớp ranh giới, giữ cho quả bóng ở trong dòng chảy rối lâu hơn. Quả bóng càng gồ ghề, lực cản càng ít. Đó là lý do quả bóng golf có nhiều vệt lõm bay xa hơn quả bóng trơn nhẵn.

Trong bóng đá, tốc độ không khí chuyển từ dòng chảy rối sang dòng chảy tầng rất quan trọng. Đó là vì khi quá trình chuyển tiếp diễn ra, quả bóng bắt đầu di chuyển chậm hơn đáng kể. Nếu dòng chảy tầng bắt đầu quá nhanh, quả bóng sẽ di chuyển chậm hơn trong thời gian ngắn hơn nhiều.

Adidas cung cấp bóng cho giải đấu World Cup từ năm 1970. Tính đến năm 2002, mỗi quả bóng được khâu từ 32 miếng da gồm 20 miếng hình lục giác và 12 miếng hình ngũ giác. Kỷ nguyên mới bắt đầu vào World Cup năm 2006 ở Đức. Quả bóng mang tên Teamgeist gồm 14 mảnh liên kết bằng nhiệt thay vì khâu. Phần mối nối dán keo ngăn nước thấm vào bên trong quả bóng trong những ngày mưa ẩm ướt.

Trong 3 kỳ World Cup vừa qua, Adidas tìm cách cân bằng giữa số lượng miếng ghép, đặc điểm đường nối và kết cấu bề mặt với khí động học thích hợp. Quả bóng Jabulani trong World Cup năm 2010 ở Nam Phi có đường viền ngắn hơn, số số miếng ghép ít hơn (8 miếng). Tuy nhiên, Jabulani gây tranh cãi bởi nhiều cầu thủ phàn nàn quả bóng này giảm tốc độ đột ngột. Khi Goff và cộng sự phân tích quả bóng trong đường hầm gió, họ nhận thấy Jabulani quá trơn nhẵn và có hệ số cản cao hơn quả bóng Teamgeist năm 2006.

Cả quả bóng dùng cho World Cup ở Brazil năm 2014 (Brazuca) và ở Nga năm 2018 (Telstar 18) đều có 6 miếng ghép hình dáng khác thường. Dù có kết cấu bề mặt hơi khác biệt, chúng có cùng độ ráp và cùng đặc điểm khí động. Nhìn chung, các cầu thủ thích Brazuca và Telstar 18, nhưng một vài người phàn nàn về xu hướng dễ rơi của Telstar 18.

Quả bóng dùng cho World Cup 2022 ở Qatar là Al Rihla, gồm 20 mảnh ghép, in mực nước và gắn keo. 8 mảnh trong số đó là hình tam giác nhỏ với các cạnh có độ ráp như nhau, 12 mảnh còn lại lớn hơn và có hình dáng giống kem ốc quế. Thay vì sử dụng họa tiết nhô ra để tăng độ ráp bề mặt giống những quả bóng trước, Al Rihla được bao phủ bởi những vết lõm giúp bề mặt của nó tương đối trơn nhẵn so với các phiên bản trước.

Để cân bằng với độ nhẵn, đường nối của Al Rihla rộng và sâu hơn, khắc phục khiếm khuyết ở quả bóng Jabulani. Goff và đồng nghiệp ở Nhật Bản đã thử nghiệm 4 quả bóng World Cup gần đây nhất trong đường hầm gió ở Đại học Tsukuba. Khi không khí chuyển tiếp từ dòng chảy rối sang dòng chảy tầng, hệ số cản tăng lên nhanh chóng. Khi điều này xảy ra với quả bóng đang bay, quả bóng trải qua lực cản giảm mạnh và di chuyển chậm đột ngột.

Hầu hết quả bóng World Cup mà nhóm của Goff kiểm tra chuyển tiếp giữa hai dòng chảy ở tốc độ 58 km/h, trừ Jubalani (82 km/h). Do phần lớn cú đá phạt diễn ra ở tốc độ 97 km/h, rất dễ hiểu tại sao các cầu thủ cảm thấy Jabulani di chuyển chậm và khó dự đoán. Al Rihla có đặc điểm khí động rất giống quả bóng dùng trong hai mùa World Cup trước đó nên có thể mang đến cảm giác quen thuộc cho cầu thủ trong giải đấu năm nay.