De zwabberbal is nu begrepen

Natuurkunde

De onvoorspelbaar bewegende zwabberbal is eindelijk doorgerekend. Hij zwabbert als de luchtstroming om de bal turbulent wordt.

Cristiano Ronaldo krijgt een vrije trap, het muurtje staat, Ronaldo schiet. De bal lijkt wel dronken: eerst zeilt hij in een bocht om het muurtje heen, daarna verandert hij nog eens van richting, langs de keeper, het goal in.

De zwabberbal, de bal die onderweg onvoorspelbaar van richting verandert, is Ronaldo’s specialiteit, maar hoe het nu precies kán, dat wist niemand precies.

„Volgens Ronaldo zelf moet je tegen het ventiel schieten”, zegt Caroline Cohen. Zij is een van vier Franse onderzoekers van het Parijse CNRS-instituut, die in het New Journal of Physics een nieuwe zwabberbal-theorie presenteren, gebaseerd op experimenten met een zwabberbalrobot.

„Ik speel zelf volleybal, en daar heb je zwabberballen bij opslag”, vertelt Cohen aan de telefoon. Dat zette haar als promovendus natuurkunde op het spoor. „Ik vroeg me af hoe dat kon. Het leek me fysiek onmogelijk.”

Een beroemde zwabberbal van oud-VVV-speler Keisuke Honda

(Tekst gaat verder onder video)

Dat een bal met veel spin kan afbuigen, bekend van de kromme hoekschop, is aerodynamisch nog wel te begrijpen als het Magnus-effect, een uitwisseling van draaimoment tussen de bal en de lucht.

Maar zwabberen, onvoorspelbaar zomaar van richting veranderen, is iets heel anders. Cohen: „Het effect is bekend uit honkbal, daar heet het een knuckleball.” Werpers die daar hun specialiteit van hebben gemaakt, weten dat je moet gooien zonder spin, en niet al te hard.

Gangbare verklaring

De gangbare verklaring wees op de luchtwrijving van de dikke gestikte naden op een honkbal. Als de bal maar nauwelijks draait, verandert het nadenpatroon aan het vooraanzicht van de bal gestaag, en daarmee de wrijving. „Maar dat kan niet het hele verhaal zijn”, zegt Cohen, „want voetballen en volleyballen hebben lang niet zulke prominente naden. Bovendien zwabberen gladde ballen juist het meest.”

.

De Jabulani-bal van het WK2010. .

Een beruchte zwabberbal is bijvoorbeeld de gladde Jabulani, de officiële WK-bal van 2010.

Vinger

Om de vinger er preciezer achter te krijgen, bouwden de Fransen een zwabberbalschietmachine: een elektromotor met daaraan gemonteerd een spade-achtige schopper. Het vlakke uiteinde daarvan dient om de bal weg te slaan en zo min mogelijk spin mee te geven. Het werkte: bij bepaalde snelheden zwabberen de ballen behoorlijk, blijkt uit metingen met een hogesnelheidscamera.

NJP

De zwabberbaltrapmachine van de Franse wetenschappers. NJP

Windtunnelmetingen

Maar de uiteindelijke oplossing volgde uit eerdere windtunnel-metingen van de krachten op bollen waar lucht omheen stroomt. Die zijn gemaakt door Amerikaanse luchtvaart-ingenieurs, en door de Fransen vertaald naar voetbal-afmetingen.

Lucht (en vloeistof) kan op twee manieren rond een vorm stromen: in nette laagjes die aan de achterkant van het voorwerp netjes weer loslaten. Dat heet laminaire stroming. Bij hogere snelheden wordt dat een turbulente stroming, waarbij er bij het loslaten chaotische wervelingen in het kielzog terechtkomen. In het laatste geval is de luchtweerstand relatief lager.

Turbulentiegrens

„De grens tussen laminair en turbulent hangt onder andere af van de snelheid, en kan tamelijk scherp zijn’, zegt Cohen. Zwabberen treedt op in de buurt van die grens. Door kleine luchtstromingen kan bijvoorbeeld de lucht aan de linkerkant van de bal turbulent loslaten, terwijl de rechterkant nog laminair stroomt. Dan zal de bal naar rechts afbuigen. Even later gebeurt weer het omgekeerde: de bal zwabbert.

Cohens wetenschappelijk onderbouwde tips voor would-be-zwabbervoetballers: „Schiet niet te hard, en probeer de bal zo min mogelijk spin mee te geven, bijvoorbeeld door hem te raken met een stijf gehouden enkel.” Waar het ventiel zit, doet er niet toe.