Bei der EM 2024 wird der innovative Ball Adidas® Fussballliebe® zum Einsatz kommen, der eine einzigartige und unkonventionelle Oberflächenstruktur mit tiefen kreis- und halbkreisförmigen Rillen und kreisförmigen Vertiefungen sowie Teilungsnähten aufweist. Als ich die ersten Bilder des Balls sah, wusste ich, dass wir ihn modellieren müssen, um eine Einschätzung seiner aerodynamischen Eigenschaften zu gewinnen. Wir beschlossen, eine Reihe von Simulationen durchzuführen und die Ergebnisse mit dem Adidas® Telstar® vom FIFA World Cup® 2018 zu vergleichen. Sehen wir uns die Ergebnisse an…
Die Evolution des neuen Designs
Die Euro 2024 beginnt heute, am 14. Juni, mit dem Spiel Deutschland gegen Schottland in München. Wie üblich hat Adidas einen neuen Ball für das Turnier geliefert, den Adidas® Fussballliebe®. Das Design des Adidas® Fussballliebe® scheint dem des Adidas® Al Rihla®, dem offiziellen Ball der FIFA World Cup® 2022 in Katar, zu ähneln. Der neue Ball weist jedoch ein ausgeprägtes Oberflächendesign mit Rillen und Vertiefungen auf. Diese Art von Design findet sich auch bei dem Adidas® MLS 2024 und dem Adidas® Île-de-Foot 24, dem offiziellen Spielball der Olympischen Spiele 2024 in Paris.
Der Adidas® Fussballliebe® hat ein markantes Oberflächendesign.
In einer vorherigen Blog-Serie haben wir den Adidas® Telstar® und den Nike® Ordem V analysiert und verglichen. Seitdem wurde das Paneldesign des Adidas® Telstar® in einer Vielzahl von verschiedenen Turnierbällen verwendet, darunter der Adidas® MLS Pro 2022, der Adidas® Uniforia® Pro, der offizielle Spielball der Fußball-EM 2020, und der Adidas® Conext® 21, der offizielle Spielball der Olympischen Spiele 2020 in Tokio.
Seit der Entwicklung des Adidas® Telstar® hat Adidas mehrere Spielballdesigns eingeführt, darunter den Adidas® Al Rihla® und den Adidas® Oceaunz, der bei der FIFA Frauen-Weltmeisterschaft 2023 verwendet wurde. Der Adidas® Fussballliebe® weist jedoch ein Design auf, das im Vergleich zu diesen neueren Adidas-Spielballdesigns eine große Veränderung darstellt. Daher ist es sinnvoll, den Adidas® Telstar® mit dem Adidas® Fussballliebe® zu vergleichen, um sich ein Bild von der Entwicklung der Bälle zu machen, die auf höchstem Niveau verwendet werden, und um zu versuchen, die Auswirkungen des Balls auf das Ergebnis der EM 2024 vorherzusagen.
Haben bestimmte Teams einen Ball-Vorteil?
Die acht Mannschaften, die für den Sieg bei der Euro 2024 als Favoriten gelten, lauten in abfallender Reihenfolge: England, Frankreich, Deutschland, Portugal, Spanien, Italien, die Niederlande und Belgien. Sie haben alle mit dem offiziellen Ball trainiert und Freundschaftsspiele bestritten, obwohl vier der Mannschaften von Nike und vier von Adidas gesponsert werden.
Die acht besten Teams, mit den von Adidas gesponserten Teams oben und den von Nike gesponserten Teams unten.
Interessanterweise decken sich die acht besten heimischen Ligen in Europa auch mit den acht favorisierten Nationalmannschaften bei der EM 2024. Allerdings spielt keine dieser Ligen mit Adidas® Bällen. Ein großer Teil der Spieler der acht besten Mannschaften spielt in der Champions League, wo der Adidas® Finale Ball verwendet wird. Der Adidas® Finale Ball hat jedoch ein wesentlich anderes Design als der Adidas® Fussballliebe®. Spieler aus der saudischen Profiliga in den acht besten Mannschaften – wie Aymeric Laporte in Spanien, Cristiano Ronaldo und João Neves in Portugal und Georginio Wijnaldum in den Niederlanden – könnten einen leichten Vorteil haben, da sie daran gewöhnt sind, mit dem Adidas® Oceaunz zu spielen, der dem Adidas® Fussballliebe® ähnelt (obwohl sich das Design der Vertiefungen unterscheidet).
Beim Spielen in einem Turnier ist die Vertrautheit mit dem Ball sehr wichtig. Diego Forlán, ein uruguayischer Profifußball-Manager und ehemaliger Spieler, hat zum Beispiel viele Stunden mit dem Adidas® Jabulani® geübt, bevor er am FIFA World Cup® 2010 in Südafrika teilnahm. Forlán gehörte auch zu den wenigen Spielern, die diesen Ball von Beginn des Turniers an sehr gut beherrschten. Er teilte sich auch die Position des Torschützenkönigs mit Thomas Müller, Wesley Sneijder und David Villa (alle erzielten jeweils 5 Tore).
Alles in allem hat also nur ein relativ kleiner Teil der an der EM 2024 teilnehmenden Spieler Erfahrung mit einem Ball, der dem Adidas® Fussballliebe® ähnelt – doch gerade der Einfluss von Ronaldo sollte dabei nicht unterschätzt werden. Was die Spielbälle angeht, ist der Ball der Euro 2024 also relativ fair.
Die komplexe Form des Adidas® Fussballliebe®
Die folgenden Abbildungen zeigen die Geometrien des Adidas® Telstar® und des Adidas® Fussballliebe®, die für die Simulationen in dieser Studie verwendet wurden. Die Gesamtlänge der Naht beträgt bei beiden Bällen etwa 4,3 m. Der Adidas® Fussballliebe® hat eine komplexere makroskopische Oberflächenstruktur mit Rillen, Kreisen und Vertiefungen. Beide Bälle haben eine mikroskopische Oberflächentextur. Wir haben die mikroskopischen Oberflächentexturen nicht in die 3D-CAD-Modelle der Geometrien aufgenommen.
Die Geometrien des Adidas® Telstar® (links) und des Adidas® Fussballliebe® (rechts). Beachten Sie die komplexe makroskopische Oberflächenstruktur des Adidas® Fussballliebe®.
Übergang von der turbulenten zur laminaren Randschicht
Wie in unserer vorherigen Blog-Serie beschrieben, bildet sich bei einem Ball, der sich mit hoher Geschwindigkeit fortbewegt, zum Beispiel bei einem Freistoß, kurz nachdem er den Fuß des Spielers verlassen hat, eine turbulente Randschicht (außer in einem kleinen Bereich um den vorderen Staupunkt). Die turbulente Randschicht schmiegt sich um den Ball, mit nur einer kleinen Nachlaufzone, was dem Ball einen geringen Strömungswiderstand und einen stabilen Flug verleiht. Wenn die Geschwindigkeit aufgrund des Strömungswiderstands abnimmt, verschiebt sich der Übergang von der laminaren zur turbulenten Randschicht nach hinten, und die Ablösung erfolgt schließlich in der laminaren Randschicht, auf der Vorderseite des Balls. Dadurch entsteht hinter dem Ball eine größere Nachlaufströmung und folglich ein größerer Strömungswiderstand und ein weniger stabiler Flug. Wenn dies bei hoher Geschwindigkeit geschieht, wird der Beginn eines stärkeren Magnus-Effekts beobachtet, wenn sich der Ball dreht. Dies führt zu einer Flugbahn, die zu Beginn gerade sein kann, gefolgt von einer plötzlichen Kurve aufgrund des Magnus-Effekts, wenn die Trennung der Randschichten von turbulent zu laminar übergeht. Dies konnte bei dem unglaublichen Freistoß von Roberto Carlos im Spiel zwischen Brasilien und Frankreich im Jahr 1997 beobachtet werden.
Eine Illustration des unglaublichen Tors von Roberto Carlos für Brasilien gegen Frankreich im Jahr 1997.
Wenn der Ball keinen Drall hat, folgt auf die gerade Flugbahn eine sehr unvorhersehbare, Beachvolleyball-ähnliche Flugbahn, bei der sich der Ball Dutzende von Zentimetern (und sogar Meter) zu den Seiten der Hauptflugbahn bewegen kann. Wenn der Übergang bei hohen Geschwindigkeiten erfolgt, wird der Ball außerdem aufgrund des hohen Strömungswiderstandskoeffizienten für den Fall einer laminaren Trennung der Randschichten drastisch verlangsamt. Das schlimmste Szenario für einen Torhüter ist, wenn die Ablösung der Randschicht und die Verlangsamung eintreten und der Ball durch die Schwerkraft leicht abfällt. In diesem Fall kann ein Freistoß oder ein Schuss, der scheinbar mehr als einen Meter über die Querlatte geht, im letzten Abschnitt seiner Flugbahn plötzlich ins Tor fallen.
Der Abfall des Strömungswiderstands, der durch den Übergang von einer laminaren zu einer turbulenten Randschichttrennung verursacht wird, wird auch als Krise des Strömungswiderstands bezeichnet. Das folgende Schema zeigt den Strömungswiderstandskoeffizienten in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Balls für verschiedene Bälle.
Schema für den Strömungswiderstandskoeffizient in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Adidas® Jabulani® Balls (grün), des Adidas® Teamgeist® II Balls, der bei der EM 2008 verwendet wurde (blau), und eines herkömmlichen Fußballs, wie dem ersten Adidas® Telstar® vom FIFA World Cup® 1970 in Mexiko.
Die Modelle: Adidas® Telstar® vs. Adidas® Fussballliebe®
In unserer Studie haben wir sowohl einen Large-Eddy-Simulation-Ansatz (LES) als auch einen Reynolds-gemittelten-Navier-Stokes-Ansatz (RANS) verwendet, der ein k-ε-Turbulenzmodell nutzt, um den Adidas® Telstar® und den Adidas® Fussballliebe® zu analysieren und zu vergleichen.
In unserem ersten Ansatz haben wir die LES-Methode verwendet, um den Strömungswiderstandskoeffizienten der beiden sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegenden Bälle zu ermitteln. Diese Methode ist in der Lage, den Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung in der Randschicht zu erfassen. Daher lieferte uns der LES-Ansatz die relative Position der Strömungswiderstandskrise aufgrund des makroskopischen Musters der beiden Bälle, der Nähte in beiden Bällen und der großen Rippen, Rillen und Vertiefungen im Adidas® Fussballliebe®. Da wir die mikroskopische Oberflächentextur nicht in die Geometrie einbezogen haben, können wir ihren Einfluss auf den Strömungswiderstand mit LES nicht berücksichtigen. (Die LES-Methode enthält keinen Parameter für die Oberflächenrauhigkeit).
Das Netz mit Randschichtnetz, das bei den LES-Berechnungen des Adidas® Fussballliebe® verwendet wurde.
Um den Einfluss der mikroskopischen Oberflächentexturen der Bälle zu erfassen, haben wir Parameter für die Oberflächenrauhigkeit in das k-ε-Turbulenzmodell eingeführt. Dieses Modell geht jedoch davon aus, dass die Randschicht turbulent ist, so dass es den Übergang zwischen laminaren und turbulenten Randschichten nicht vorhersagen kann. Das k-ε-Turbulenzmodell kann uns die Auswirkung der Oberflächenrauhigkeit zeigen, da wir sie mit dem Strömungswiderstandskoeffizienten aus der LES-Methode vergleichen können.
Die Ergebnisse
Die folgenden Plots zeigen das Geschwindigkeitsfeld um den Adidas® Telstar® und den Adidas® Fussballliebe®, das mit dem LES-Ansatz berechnet wurde. Beide Bälle bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s, was deutlich oberhalb der Strömungswiderstandskrise liegt. Wir sehen, dass die Nachlaufzone klein ist, was zu einem niedrigen Strömungswiderstandskoeffizienten führt. Bei dem Adidas® Fussballliebe® ist sie etwas größer. Außerdem ist die Trennlinie hinter den Bällen bei beiden Bällen ähnlich, obwohl der Adidas® Fussballliebe® eine stabilere Nachlaufströmung zu haben scheint. Die Animation zeigt die Trennung der Randschicht für den Adidas® Telstar®.
Plots des Geschwindigkeitsfeldes mit dem Betrag des Geschwindigkeitsvektors und Stromlinien, die den Weg der Strömung um den Adidas® Telstar® und den Adidas® Fussballliebe® zeigen.
Eine Animation, die die Ablösung der Randschicht auf dem Adidas® Telstar® zeigt, die mit dem LES-Ansatz berechnet wurde.
Eine Animation, die die Ablösung der Randschicht auf dem Adidas® Fussballliebe® zeigt, die mit dem LES-Ansatz berechnet wurde.
Bei einer Geschwindigkeit von 20 m/s beträgt der Strömungswiderstandskoeffizient 0,18 für den Adidas® Telstar® und 0,19 für den Adidas® Fussballliebe®, die beide mit LES berechnet wurden. Dies ist zu erwarten, da der Adidas® Fussballliebe® eine komplizierte makroskopische Oberflächenstruktur aufweist, die den Übergang der Randschichten verbessern kann.
Wir können den Strömungswiderstandskoeffzienten beider Bälle vergleichen, indem wir das k-ε-Turbulenzmodell verwenden und einen Oberflächenrauhigkeitskoeffizienten von 0,1 mm (äquivalente Sand-Rauhigkeitshöhe) annehmen. Aus den Plots unten können wir ableiten, dass der Adidas® Fussballliebe® einen etwas höheren Strömungswiderstandskoeffzienten (0,21) hat als der Adidas® Telstar® (0,20). Wir können auch sehen, dass das k-ε-Turbulenzmodell eine Ablösung der Randschicht an etwa der gleichen Position vorhersagt wie die LES-Ergebnisse. Dies ist auch zu erwarten, da wir uns mit einer turbulenten Randschicht im LES-Modell weit oberhalb der Strömungswiderstandskrise befinden und da das k-ε-Turbulenzmodell überall auf der Oberfläche der Bälle eine turbulente Randschicht annimmt. Außerdem ist die Nachlaufregion hinter dem Ball etwas länger als bei den LES-Ergebnissen.
Plots des Geschwindigkeitsfeldes mit dem Betrag des Geschwindigkeitsvektors und Stromlinien, die den Weg der Strömung um den Adidas® Telstar® (links) und den Adidas® Fussballliebe® (rechts) zeigen, berechnet mit einem k-ε-Turbulenzmodell (instationär im Fall des Adidas® Telstar®).
Der Strömungswiderstandskoeffizient des Adidas® Telstar® in Abhängigkeit von der Ballgeschwindigkeit zeigt, dass die Strömungswiderstandskrise bei diesem Ball etwas später eintritt als bei einem herkömmlichen Fußball, aber früher als beim Adidas® Teamgeist® II. Das bedeutet, dass er stabiler ist als der Adidas® Jabulani® und der Adidas® Teamgeist® II. Es wird erwartet, dass der Adidas® Fussballliebe® noch stabiler ist als der Adidas® Telstar® und dass seine Strömungswiderstandskrise nur geringfügig später eintritt als bei einem traditionellen Fußball mit 32 Paneelen.
Der Plot unten zeigt den Strömungswiderstandskoeffizient in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Balls unter Verwendung des k-ε-Turbulenzmodells für den Adidas® Fussballliebe® und des LES für den Adidas® Telstar®. Bei Verwendung des k-ε-Turbulenzmodells gibt es keine Strömungswiderstandskrise, da das Modell bei allen Geschwindigkeiten eine turbulente Randschicht annimmt. Aus der vorläufigen LES für den Adidas® Fussballliebe® geht jedoch hervor, dass die Strömungswiderstandskrise bei niedrigeren Geschwindigkeiten auftritt. Dies führt dazu, dass der Ball seine Geschwindigkeit über einen längeren Geschwindigkeitsbereich beibehält, bevor er durch die Ablösung der laminaren Randschicht abgebremst wird. Der höhere Strömungswiderstandskoeffizient bei hohen Geschwindigkeiten wird teilweise durch die Oberflächenrauheit erklärt, aber selbst wenn man die Rauheit beider Bälle berücksichtigt, scheint der Adidas® Fussballliebe® einen etwas höheren Strömungswiderstandskoeffizienten zu haben als der Adidas® Telstar®.
Die Strömungswiderstandskoeffizienten des Adidas® Telstar® (blau) und des Adidas® Fussballliebe® (grün) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Balls, berechnet mit LES bzw. dem k-ε-Turbulenzmodell.
Das Material der Bälle
Eine Eigenschaft des Adidas® Telstar®, die hervorsticht, ist seine Elastizität, denn die Elastizität des Balls fühlt sich bei einem nominalen Luftdruck etwas größer an als bei seinen Vorgängern. Dies hat zur Folge, dass sich der Ball beim Abstoß schneller bewegt und weniger Energie in Form von Wärme abgeleitet wird. Der Adidas® Fussballliebe® fühlt sich noch elastischer an. (Aber das ist nur ein subjektives Gefühl beim Kicken der beiden Bälle.)
Alles in allem können wir einige großartige Tore erwarten und hoffentlich auch einige Kracher aus 35 Metern, wie das klassische Tor von Roberto Carlos! Achten Sie außerdem auf Ronaldos Freistöße. Er beherrscht den Adidas® Fußballliebe® wahrscheinlich besser als die meisten anderen Spieler der EM.
Weitere Updates in Kürze
Eine vollständige Studie des Adidas® Telstar® und des Adidas® Fussballliebe® sollte die Oberflächentextur (die Mikrostruktur der Oberfläche) in das CAD-Modell aufnehmen. Dies wäre notwendig, um mit LES genaue Kurven für den Strömungswiderstandskoeffizienten als Funktion der Ballgeschwindigkeit zu erhalten. Außerdem sollten die Simulationen mit verschiedenen Teilen des Balls durchgeführt werden, die dem Wind zugewandt sind, um die natürlichen Schwankungen des Strömungswiderstandskoeffizienten zu erfassen. Aber wir haben nur ein paar Tage an dieser Studie gearbeitet, da sie nur zum Spaß und aus Neugierde gemacht wurde.
Bleiben Sie am Ball, denn wir werden die Ergebnisse des Strömungswiderstandskoeffizienten des Adidas® Fußballliebe® in Abhängigkeit von der Ballgeschwindigkeit und mehr veröffentlichen, sobald wir alle notwendigen Berechnungen in diesem Blog-Beitrag abgeschlossen haben!
Hinweis: Dieser Blog-Beitrag wurde am 17. Juni 2024 aktualisiert, um die aktuellen Ergebnisse wiederzugeben.
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Adidas, Al Rihla, und Fussballliebe sind eingetragene Marken der adidas AG. Jabulani, Teamgeist, und Telstar sind eingetragene Marken von adidas International Marketing B.V.
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