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Jul 27, 2023

Die Physik birgt das Geheimnis des äußerst unvorhersehbaren „Float-Aufschlags“ im Volleyball.

Jennifer Ouellette – 14. November 2019 14:59 Uhr UTC Ein guter Float-Aufschlag bei

Jennifer Ouellette – 14. November 2019, 14:59 Uhr UTC

Ein guter Float-Aufschlag im richtigen Moment kann im Volleyball ein knappes Spiel entscheiden, da die Flugbahn des Balls so schwer vorherzusagen ist. Es sind die Oberflächenpaneele herkömmlicher Volleybälle, die zu diesen unvorhersehbaren Flugbahnen führen, und eine Änderung der Oberflächenmuster könnte laut einem aktuellen Artikel in Applied Sciences zu einem gleichmäßigeren Flug führen.

Alles hängt von der Schwerkraft und der Aerodynamik ab. Jeder sich bewegende Ball hinterlässt eine Luftspur, die hinter ihm herzieht, während er durch die Luft fliegt. Der unvermeidliche Widerstand verlangsamt den Ball. Die Flugbahn verschiedener Sportbälle wird nicht nur durch ihren Durchmesser und ihre Geschwindigkeit beeinflusst, sondern auch durch kleine Unregelmäßigkeiten auf ihrer Oberfläche. Golfbälle haben beispielsweise Grübchen, während Baseballbälle Nähte in Form einer Acht haben – beide sind ausreichend holprig, um den Luftstrom um den Ball herum zu beeinträchtigen.

Es ist bekannt, dass die Bewegung eines Baseballs um ihn herum einen Luftstrudel erzeugt, der allgemein als Magnus-Effekt bekannt ist. Durch die erhabenen Nähte wird die Luft um den Ball herum aufgewirbelt, wodurch an verschiedenen Stellen Hochdruckzonen entstehen, die (abhängig von der Art des Spielfelds) zu Abweichungen in der Flugbahn des Balls führen können. Golfball-Grübchen verringern den Strömungswiderstand, indem sie eine turbulente Grenzluftschicht erzeugen, während die Drehung des Balls Auftrieb erzeugt, indem an der Unterseite des Balls ein Bereich mit höherem Luftdruck als an der Oberseite entsteht.

Auch die Oberflächenmuster von Volleybällen können deren Flugbahn beeinflussen. Herkömmliche Volleybälle haben sechs Felder, aber neuere Designs haben acht Felder, ein sechseckiges Wabenmuster oder Grübchen.

In der Vergangenheit gab es zahlreiche Studien, die die Aerodynamik von Sportbällen untersuchten: Golf-, Cricket-, Tennis-, Baseball-, Rugby- und Fußbälle. Aber aus irgendeinem Grund gibt es einen Mangel an Forschung, die sich auf die Physik von Volleyballs konzentriert. Im Jahr 2010 beschlossen Takeshi Asai von der Universität Tsukuba und mehrere japanische Kollegen, Abhilfe zu schaffen, indem sie eine Reihe von Windkanalexperimenten mit drei Kugeltypen mit deutlich unterschiedlichen Oberflächenmustern durchführten: einer herkömmlichen geschmolzenen Kugel mit sechs Platten; eine neuere geschmolzene Kugel mit Wabenmuster; und ein Mikasa-Kugel mit Noppen. Sie verwendeten ein Robotergerät, um die Bälle zu „servieren“, um die Konsistenz sicherzustellen, und maßen dann die Luftwiderstandsbeiwerte für jeden Ball.

Der Luftwiderstandsbeiwert beschreibt, wie stark die strömende Luft an der Balloberfläche „klebt“. Je schneller sich der Ball bewegt, desto weniger „klebrig“ wird der Ball. Typischerweise sind die Wirbelströme bei langsamen Geschwindigkeiten größer und der Luftwiderstand höher. Wenn der Ball jedoch eine kritische Geschwindigkeitsschwelle erreicht, kommt es zu einer sogenannten „Widerstandskrise“: Der Wirbelstrom schrumpft plötzlich und der Luftwiderstand sinkt. Es ist im Grunde der Punkt, an dem der Luftstrom abrupt von laminar (glatt) zu turbulent wechselt. Diese kritische Geschwindigkeitsschwelle – die Geschwindigkeit, bei der der Luftstrom wirklich turbulent wird – kann nur bei Volleybällen erheblich variieren.

In der Studie von 2010 wurde jeder Ball 20 Mal mit drei unterschiedlichen Panel-Ausrichtungen aufgeschlagen. Die Autoren fanden heraus, dass für perfekt glatte Kugeln die kritische Geschwindigkeit etwa 25 Meter pro Sekunde oder etwa 56 Meilen pro Stunde beträgt. Alle von ihnen getesteten Volleybälle zeigten niedrigere kritische Geschwindigkeiten als die glatte Kugel. Der herkömmliche geschmolzene Ball hatte einen ähnlich niedrigen Widerstand, während der geschmolzene Ball mit Wabenmuster einen höheren Endwiderstand aufwies. Asai und seine Co-Autoren vermuteten, dass dies daran liegen könnte, dass das Wabenmuster die Oberflächenrauheit des Balls erhöhte, während die Ausrichtung der Oberflächenplatten (in Quer- oder Diagonalrichtung) beim traditionellen Ball beim Servieren die Art und Weise verändert, wie die Luft um die Ballmitte strömt -Flug, der seine Flugbahn beeinflusst.

Für diese neueste Studie verwendeten Asai und mehrere Kollegen vier verschiedene Arten von Volleybällen – zwei mit Bahnen, einer mit Wabenmuster und einen Ball mit Noppen –, um die Aerodynamik des Float-Aufschlags zu untersuchen. Im Gegensatz zu einem schnellen Topspin-Aufschlag oder einem Sprungaufschlag, die beide ziemlich vorhersehbaren Flugbahnen folgen, hat ein Float-Aufschlag keinen Spin. Das macht es schwierig, die Flugbahn des Balls vorherzusagen; Es kann unerwartet ausweichen und dem Server einen Wettbewerbsvorteil verschaffen.

Aus physikalischer Sicht ähnelt der Float-Aufschlag dem Werfen eines Knöchelballs beim Baseball, der von der Magnus-Kraft weitgehend unberührt bleibt, da er keinen Spin hat. Seine Flugbahn wird vollständig davon bestimmt, wie die Nähte den turbulenten Luftstrom um den Baseball herum beeinflussen. Die Nähte eines Baseballs können die Geschwindigkeit (Geschwindigkeit) der Luft in der Nähe der Balloberfläche verändern und den Ball beschleunigen oder verlangsamen, je nachdem, ob sich die Nähte oben oder unten befinden. Einen ähnlichen Effekt haben die Panels bei herkömmlichen Volleybällen.

In dieser neuesten Studie wurde jeder Ball 30 Mal getestet, also insgesamt 240 Tests. Das Ergebnis: Die Bälle mit Panels hatten die höchste kritische Geschwindigkeitsschwelle, was zu unvorhersehbaren Flugmustern führte. Der Ball mit Wabenmuster hatte eine viel niedrigere kritische Schwelle, während das Noppenmuster die Schwelle erhöhte. Sowohl die Waben- als auch die Noppenbälle hatten unabhängig von der Plattenausrichtung auch weniger Unterschiede in der Luftwiderstandskrise. Daher vermuten die Autoren, dass es möglich sein sollte, den Eintritt der Luftwiderstandskrise allein durch eine Änderung der Oberflächengestaltung des Balls zu kontrollieren.

„Die am häufigsten verwendeten Volleybälle haben sechs Felder mit drei parallelen rechteckigen Streifen“, sagte Asai über diese Ergebnisse. „Die Verwendung eines sechseckigen Musters oder eines Noppenmusters könnte die Flugkonsistenz erheblich verbessern. Diese Forschung könnte wichtige Auswirkungen nicht nur auf den Sport, sondern auch auf die Entwicklung effizienterer und stabilerer Drohnen haben.“

DOI: Applied Sciences, 2019. 10.3390/app9194007 (Über DOIs).