Calcio: gli scienziati scoprono il segreto del calcio di punizione
Lebanon, New Hampshire (Stati Uniti), Sheffield (Gran Bretagna), Wavre (Belgio) e Yamagata (Giappone) - Tre gruppi di ricerca coordinati hanno svelato alcuni dei segreti che si nascondono dietro l'"effetto" impresso a un pallone da calcio, al momento in cui lascia il piede di un giocatore, un mistero che sarà tra i grandi protagonisti degli imminenti campionati mondiali di calcio, che si svolgeranno in Giappone e Corea. Lo studio è stato ispirato dalla curiosità di capire i principi di un'arte così difficile, quale è quella di segnare un goal da situazioni di palla inattiva e che è stata portata alle sue massime espressioni da campioni di fama mondiale, quali il brasiliano Roberto Carlos, il tedesco Michael Ballack e l'inglese David Beckham. Gli ingegneri appartenenti al gruppo di ricerca di ingegneria dello sport (Sports Engineering Research Group) dell'Università di Sheffield, in collaborazione con il laboratorio delle scienze sportive dell'Università di Yamagata in Giappone e di Fluent Benelux, hanno elaborato un'analisi scientifica e ingegneristica di fondamentale importanza su questo aspetto così spettacolare del "gioco più bello del mondo".
"Riteniamo che il nostro studio sulle forze fisiche che intervengono su un pallone da calcio sia di importanza strategica per aiutarci a capire qualcosa di più sulle dinamiche delle punizioni in questo gioco rispetto a quanto era già noto prima", ha dichiarato il Dr. Matt Carré, membro del Sports Engineering Research Group dell'Università di Sheffield. "La combinazione", ha continuato il Dr. Matt Carré, "di esperimenti coordinati nella galleria del vento, analisi di fotogrammi ad alta velocità, simulazioni di traiettoria e tecniche di ricreazione grafica al computer, quali ad esempio quelle di fluidodinamica computazionale, rappresenta un percorso decisamente efficace per spiegare il fenomeno in questione. Riteniamo che il nostro lavoro ci permetta di migliorare la comprensione di ciò che contribuisce alla progettazione di palloni da calcio ottimali, in particolare quelli che permettono di tirare punizioni sempre più sorprendenti. Siamo convinti, infatti, che l'approccio che adottiamo per lo studio degli aspetti ingegneristici del gioco del calcio, ci permetterà di migliorare le nostre conoscenze e raggiungere risultati che possono essere applicati al campo della preparazione e al miglioramento della formazione tecnica dei giovani talenti".
Il Dr. Keith Hanna, direttore della comunicazione di marketing di Fluent Benelux, ha ribadito questi concetti, sottolineando che "nel corso di ogni Campionato mondiale di calcio, i discorsi inevitabilmente cadono sui fantastici calci da fermo, che si prendono letteralmente gioco sia dei difensori che del portiere, proprio per l'effetto che viene impresso al pallone durante la traiettoria. Nell'arco di tempo, da 1,0 a 1,5 secondi, necessario a un pallone calciato da fermo per completare la sua traiettoria, ovvero da quando la palla viene calciata al momento in cui raggiunge il suo obiettivo, è chiaro che su di esso intervengono complesse forze fisiche. Il lavoro di simulazione che abbiamo realizzato in collaborazione con le Università di Sheffield e di Yamagata è stato indubbiamente fondamentale e, a mio avviso, sarà da stimolo per ulteriori studi di approfondimento sul tema. Ancora oggi non mi capacito di cosa siano in grado di fare, in una frazione di secondo, straordinari giocatori come Beckham e Roberto Carlos al momento di calciare una punizione in gare decisive e sotto un'enorme pressione. In pochi secondi, basandosi esclusivamente sull'istinto e la pratica, il loro cervello deve elaborare calcoli di traiettoria altamente sofisticati. Per fare la stessa cosa i nostri computer hanno bisogno di qualche ora e anche se oggi ci risultano più chiari gli aspetti scientifici di quello che fanno questi giocatori, guardarli compiere queste prodezze ci lascia sempre una sensazione di magia!".
Studi della galleria del vento e ricreazione grafica della traiettoria
Gli studi realizzati in una galleria del vento presso l'Università di Sheffield su un modello in scala * di un generico pallone hanno evidenziato come l'aria che circonda il pallone passa da un flusso laminare a uno a turbolenze, a una velocità compresa tra le 18 e le 23 miglia all'ora (8-10 m/s), risultato che tuttavia è strettamente correlato alla struttura superficiale e alla cucitura del pallone. Questo dato è decisamente importante in quanto la resistenza che incontra il pallone durante il suo percorso nell'aria in occasione dei calci di punizione influenza chiaramente la sua traiettoria, in particolare se la palla è in rotazione su se stessa. È da tempo risaputo che una palla in rotazione si muove lateralmente mentre si sposta nell'aria, movimento dovuto a un fenomeno conosciuto come effetto Magnus. Questa forza si spiega in quanto sul lato di una palla in movimento rotatorio nell'aria, in cui la direzione del flusso dell'aria e della rotazione coincidono, la velocità dell'aria aumenta e la pressione diminuisce; viceversa, sul lato in cui il movimento della superficie della palla è contrario alla direzione del flusso dell'aria, la velocità dell'aria diminuisce e la pressione aumenta. Questo squilibrio di pressione produce l'effetto laterale Magnus, che risulta particolarmente marcato al termine del "volo" del pallone, quando questo diminuisce la sua velocità e, soprattutto, se su di esso viene impressa un effetto marcato. Questo bilanciamento tra la forza laterale e quella di resistenza rimane pressoché uguale nel corso dell'intera traiettoria del pallone, ma subisce una chiara alterazione in prossimità della porta, quando cambia il flusso dell'aria che circonda la sfera.
Il Dr. Matt Carré ha aggiunto che "i test condotti nella galleria del vento avvalorano l'opinione sostenuta per lungo tempo dai ricercatori, i quali ritengono che un pallone privo di effetto è sottoposto a forze di resistenza simili a quelle di una pallina da golf, ed è significativamente diverso da una perfetta sfera. Il punto di transizione dal flusso a turbolenze a quello laminare che circonda un pallone ha un'importanza decisiva nelle punizioni, in quanto la resistenza aeordinamica a cui è sottoposta la palla aumenta del 150% in una frazione di secondo. È proprio questo fenomeno, insieme alla presenza quasi costante dell'effetto rotatorio Magnus, che è responsabile degli improvvisi spostamenti laterali e verso il basso del pallone, che si possono ammirare nelle migliori punizioni quando la palla si avvicina alla porta. Questa transizione dalla zona di pressione turbolenta a quella laminare sembra altresì avvenire in funzione dell'indice di rotazione del pallone e del tipo di cucitura che caratterizza la sua superficie. Con alti indici di rotazione, la transizione avviene quando maggiore è la velocità del pallone".
Il Dr. Matt Carré ha spiegato che la tecnica sviluppata a Sheffield ha consentito al gruppo di ricerca di analizzare nei minimi dettagli il goal realizzato da David Beckham in Inghilterra-Grecia, partita di qualificazione ai Mondiali di calcio giocata nel 2001. La palla scagliata con un effetto marcato da una distanza di circa 27 metri ha lasciato il piede di Beckham a una velocità di 36 m/s (80 miglia all'ora) e ha superato la barriera di circa mezzo metro. La palla si è alzata fino all'altezza della traversa durante il suo tragitto, spostandosi lateralmente di circa 3 m, sotto l'effetto della notevole rotazione impressa, prima di ridurre la sua velocità in maniera improvvisa e all'ultimo istante fino a 19 m/s (42 miglia all'ora), infilandosi nell'angolo della porta. "Quasi certamente, la transizione da un flusso d'aria turbolento a uno laminare è avvenuta a diversi metri di distanza dalla porta" ha osservato il ricercatore. "Se non fosse così, dai nostri calcoli si deduce che la palla avrebbe dovuto scavalcare la traversa. In quel momento, Beckham ha applicato al suo tiro una serie di forze dinamiche altamente sofisticate!".
Studi di fluidodinamica computazionale
Le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD), che si integravano agli studi condotti nella galleria del vento, sono stati realizzati da Joeri Wilms di Fluent Benelux, che ha adottato lo stesso modello utilizzato nell'analisi sperimentale. Dopo aver evidenziato validi riscontri con i risultati emersi nel corso delle indagini sperimentali, egli ha spinto la portata del suo studio oltre i campi accessibili agli esperimenti che possono essere condotti in una galleria del vento, fornendo altresì accurate spiegazioni dei fenomeni aerodinamici che si nascondono dietro il gesto tecnico di una punizione. Ad esempio, egli ha scoperto che quando il pallone viene calciato con velocità ridotta e senza alcun effetto, è possibile osservare una marcata separazione del flusso d'aria dietro il pallone. Man mano che la velocità dell'aria aumentava, la separazione si riduceva. Nel corso delle simulazioni CFD, imprimendo una rotazione sempre maggiore alla palla, era possibile osservare come questa scia separata prendeva una direzione laterale. Lo studio di simulazione CFD ha permesso, inoltre, di fornire una descrizione dettagliata del bilanciamento delle forze in gioco, consentendo quindi di elaborare un modello di visualizzazione della traiettoria della punizione. Joeri Wilms ha confermato, infine, che è stata la cucitura del pallone a "trasportare" lo strato limite del flusso d'aria che circondava il pallone e che la separazione del flusso d'aria sulla scia che seguiva il pallone variava, risultando anche assai complessa, in