KREFTER: Karatespark, spisse knotter mot myk hud eller tilsynelatende «magiske» skruer: Fotball er fysikk. Foto: REUTERS / Bartosz Jankowski / Scanpix
KREFTER: Karatespark, spisse knotter mot myk hud eller tilsynelatende «magiske» skruer: Fotball er fysikk. Foto: REUTERS / Bartosz Jankowski / ScanpixVis mer

Derfor skrur ballen

Den er nemlig ikke helt rund. Det kan avgjøre EM.

Artikkelforfatter Bjørn Samset er partikkelfysiker ved CICERO Senter for klimaforskning. Han er en av flere forskerskribenter på den populærvitenskapelige bloggen Kollokvium.no, hvor denne artikkelen først ble publisert.

Hvem vinner fotball-EM 2012?
Enkelt: De som har best kontroll på turbulens, drag og Magnus-kraften. For hva er vel en fotballspiller uten litt fysikk-kunnskaper? Og hvilken fotball-fan vil vel være foruten så flotte ord når mål og flauser skal analyseres i pausen?

Les videre for å forstå hvorfor en fotball ikke alltid flyr dit du tror, og hvorfor det faktisk betyr noe at EM- og VM-ballene ikke er helt like de tippeligaen bruker.

Fotballspark i lufttomt rom
Fotball er egentlig kjempeenkelt — det handler bare om å sparke en ball inn i en stor boks. Ikke sant?

Tenk nå først at du står alene på banen med ballen foran deg, kanskje 20 meter fra mål -  og det er ingen luft. (Puste kan du gjøre etterpå.) Da er jobben din å sparke ballen rett frem og inn i målet.

Betyr det noe om du treffer ballen litt på siden, litt høyt, lavt eller midt på? De forskjellige typene spark kan få ballen til å snurre rundt samtidig som den flyr fremover — ballen får skru — men akkurat nå har det ingenting å si.

Null luft, null mål Ballen flyr rett frem den veien du sparker den, uansett om den dreier rundt eller ikke. Så setter vi inn en komplikasjon — en mur av motspillere mellom deg og målet.

Fra der du står dekker de hele høyden og bredden av boksen du skal treffe, og de er alle skikkelig gode til å hoppe slik at du neppe får ballen over dem. Har du noen som helst sjanse til å score mål? Nei — akkurat nå, i lufttomt rom, har du ikke det.

Likevel går det an: Over artikkelen kan du se et berømt frispark fra prøve-VM i 1997. Se særlig på den sakte reprisen etter ca. 45 sekunder.

Hvordan kommer vi fra dine kjedelige, rette spark og til denne fantastiske kurvede banen som attpåtil ser ut til å endre seg underveis?

Lufttrøbbel: Turbulens og laminær strøm
Nå slipper vi luft tilbake på banen (puuuh) og ting blir med ett mye mer spennende. Ballen må jo da dytte vekk og skli gjennom luften for å komme fra foten din og inn i målet, og måten den gjør det på er ikke så rent lite stilig.

Anta at du sparker veldig hardt. Frisparket i videoklippet er anslått å gi ballen en startfart på omtrent 30 meter per sekund — en ganske heftig akselerasjon. Da ser luftstrømmen rundt ballen slik ut:

(Foto: Science and Football, Thomas Reilly, Jan Cabri and Duarte Araújo)

Ballen har nok energi til å skape et tynt lag turbulens rundt seg. Dette laget av virvlende luft fungerer omtrent som et lag såpe på hånden din — det lar den strømmende luften gli lett forbi. Luftstrømmen kommer seg langt rundt ballen før den slipper tak i overflaten (der det blir hvitt bak ballen på bildet).

Dette området er fullt av veldig turbulent luft, og fungerer som en effektiv brems på ballen. Jo mindre det er, jo mindre bremses med andre ord ballen ned — en glatt turbulenkappe lar ballen fly langt og ganske rett.

Men: Luften bremser jo likevel ballen, og etter en stund har vi ikke lenger nok energi til å lage en turbulenskappe. Da begynner luften i stedet å gli glatt — såkalt laminært — og ting ser slik ut:

Her har vi skylt bort såpen. Det store turbulensområdet bak ballen er kraftigere, og luften bremser den dermed mye mer effektivt. Overgangen kan sammenlignes med det du ser i strømmen fra en vannkran — er det lite trykk renner det en klar og gjennomsiktig stråle, mens skrur du opp til fult blir den hvit og full av turbulens.

...så i et hardt frispark så vil ballen først fly fort og med lite luftmotstand, og så plutselig en grense der den bremses veldig.

Men hjelper dette deg å få ballen rundt den irriterende muren av motspillere, da?

Moroa begynner: Magnus-kraften
Det er nå det blir viktig å ikke bare treffe ballen midt på når du sparker, men sørge for å sette den i spinn samtidig. Når ballen går rundt OG det er luft til stede blir nemlig ting mye mer spennende.

Ta et papirark og hold det i to hjørner. Blås langs oversiden. Arket løfter seg! Hvorfor? Jo, fordi luft som flyr fort — som den gjør når du blåser — har lavere trykk enn luft som står stille. Dette er i fysikken beskrevet av den vakre Bernoullis ligning.

Når det blir lavere trykk over arket enn under, vil trykket underfra dytte arket opp.

HODEREGNING? Om målvakter bare var litt flinkere i fysikk... Foto: AFP PHOTO / Juan Mabromata / Scanpix
HODEREGNING? Om målvakter bare var litt flinkere i fysikk... Foto: AFP PHOTO / Juan Mabromata / Scanpix Vis mer

Vi kan (blant annet) takke denne effekten for at fly holder seg i luften... Tilbake til den roterende fotballen. Se her (bilde herfra):

Hvis ballen ikke skrur (øverst) så er alt fint og lett — luften strømmer likt på begge sider, og det er turbulens bak ballen. Hvis ballen derimot skrur (nederst), vil den dra med seg et tynt lag med turbulent luft rundt.

Den ene siden skrur dessuten mot luftstrømmen (overkanten av den nederste ballen på bildet), den andre siden skrur med luftstrømmen.

Til sammen gjør dette at farten til luftlaget blir ulikt på de to sidene av ballen, og Bernoulli-effekten blir viktig. Det dukker opp en ekstra kraft, ballen dyttes til en side — nedover i dette tilfellet.

Ballen glapp Dessuten skjer en ting til, også illustrert på det nederste bildet over. På den siden som skrur med farten — øverst på bildet — vil den glatte luftstrømmen «slippe» ballen litt tidligere enn på den andre siden, og en bremse-effekt fra turbulensen bak ballen gir et ekstra bidrag til denne nye, sideveis kraften på ballen.

For å fortsette såpeanalogien: Ballen blir glattere for luften rundt den ene siden enn den andre. Prøv smøre såpe på bare nedre halvpart av hendene før du gnir dem mot hverandre — du vil kjenne at de har lyst til å vri seg når du gnir.

Til sammen kalles denne effekten Magnus-kraften, etter den tyske 1800-talls-fysikeren Heinrich Magnus. Magnus-kraften er det som gjør at skrudde baller kan gjør sprø ting, enten det er snakk om fotballer, baseballer, golfballer — eller bordtennisballer, der de fleste spillere bruker den kanskje uten å være klar over det.

Men hvilken betydning hadde denne overgangen fra turbulent til laminær flom som vi snakket om over? Jo: Når flommen er turbulent betyr ikke denne bremsingen så mye, så Magnus-kraften får ikke så godt tak. Når vi går over til laminær flom, derimot, får den mye mer å si.

Ballbråk Se på frisparket fra 1997 en gang til. Ballen skrur hele tiden, men den går først nesten rett frem før den plutselig endrer retning og skrur rundt muren. Dette skjer akkurat når luftstrømmen går fra turbulent til laminær, og Magnus-kraften får bedre tak. Fotballen er faktisk ikke helt rund...

Hver gang en ny mesterskapsball blir introdusert blir det bråk. I 2010 sa spillere om ballen «Jabulani»:

«According the Jabulani?s creator Adidas, revolutionary 'grip and groove' technology combines with high-tech 3-D panels to make a ball which is both perfectly round and extremely aerodynamic. But a string of top players from the 32 participating World Cup teams have complained that the more lightweight ball is hard to control and can be unpredictable in the air».

Det samme ble sagt om «Teamgeist»-ballen fra 2006. Hvorfor det? Hva kan gjøre ballen «uforutsigbar i luften»?

Jo, nettopp blandingen av turbulent og laminær flom og Magnus-kraften. Dersom ballen var helt, helt rund ville ikke vinkelen dens betydd noe, men alle fotballer har sprekker mellom de sammensydde panelene.

Når en slik sprekk for eksempel ligger der hvor luften gjerne slipper tak i ballen (se de to bildene av turbulent og laminær flom over), kan det endre hele dynamikken og gi Magnus-kraften tak tidligere enn man skulle forvente.

Eller omvendt.

Sofaekspert Det finnes eksempler på at 2006-ballen, som hadde store og ujevne paneler, fløy i et kaotisk sikk-sakk-mønster. Ballen i EURO 2012 har også litt annerledes paneler enn det man kanskje er vant til.

Dette gjør at spillerne enten må venne seg til ny dynamikk, eller må være veldig gode til å ta Bernoulli-beregninger i hodet.

Uansett valg, er det opplagt at du ikke vinner et mesterskap som EURO 2012 uten å være en dugelig god fysiker — og du imponerer ihvertfall ikke som sofakommentator om du ikke kan briljere med ord som laminær, turbulent, Magnus-kraft og Reynolds-tall-drag-transisjon.