Jak symulacja strukturalna wyjaśnia fizykę piłki nożnej?

Piłka nożna to najpopularniejszy sport na świecie, który gromadzi ponad 4 miliardy fanów. Od starożytnych gier Azteków czy chińskiego cuju po średniowieczną Europę – kopanie czegokolwiek nogami zawsze miało globalny zasięg. Pierwszy oficjalny międzynarodowy turniej odbył się w 1930 roku w Montevideo, gdzie o Puchar Świata walczyło 13 reprezentacji. Dziś o to miano rywalizuje ponad 200 krajów.

Od tamtego czasu zmieniło się niemal wszystko: zasady, stroje, kultura kibiców oraz sam sprzęt. Piłka meczowa przeszła długą drogę od ciężkiej, skórzanej kuli do nowoczesnego, zaawansowanego technicznie dwudziestościanu z poliuretanu. Chcesz dowiedzieć się, jak te zmiany wpłynęły na osiągi zawodników? Z pomocą przychodzi zaawansowana inżynieria.

Ewolucja piłki nożnej: od skóry do poliuretanu

Podczas mundialu w 1930 roku piłkarze kopali gumowy pęcherz pokryty grubymi, skórzanymi pasami. Grube szwy sprawiały, że uderzenie głową bywało bolesne. Sytuacja drastycznie pogarszała się podczas deszczu – skóra nasiąkała wodą, przybierając na wadze o blisko 50%. Ręcznie szyte modele szybko traciły też powietrze, co obniżało skuteczność gry.

Współczesna oficjalna piłka turniejowa bazuje na czterech termicznie łączonych panelach poliuretanowych. Jest całkowicie wodoodporna, a specjalna tekstura powierzchni gwarantuje świetną przyczepność zarówno na suchej, jak i mokrej murawie. To ogromny krok naprzód w dziedzinie materiałoznawstwa i niezawodności.

Jak skonfigurować badania w SOLIDWORKS Simulation?

Aby sprawdzić, jak różne materiały reagują na uderzenie, trzeba zmierzyć stopień oddawania energii przez piłkę. Sztywna konstrukcja oddaje ją efektywnie, podczas gdy miękka pochłania siłę, utrudniając kontrolę nad zagraniem.

Do przeprowadzenia tych badań wykorzystano oprogramowanie SOLIDWORKS Simulation. Umożliwiło ono wykonanie nieliniowej analizy dynamicznej dla trzech obiektów:

• nowoczesnej piłki poliuretanowej,
• suchej piłki skórzanej z lat 30. XX wieku,
• mokrej piłki skórzanej z lat 30. XX wieku.

Każdy model zdefiniowano jako ciśnieniową skorupę. Następnie zasymulowano kopnięcie poprzez upuszczenie sztywnej płyty z wysokości 1 metra z prędkością uderzenia 4,43 m/s – bezpośrednio w wirtualnym środowisku programu.

Analiza wyników: dlaczego współczesne piłki wygrywają?

Wyniki symulacji nie pozostawiają złudzeń. Nowoczesna piłka poliuretanowa błyskawicznie się ściska i stabilizuje, ponieważ naprężenia koncentrują się w strefie uderzenia i rozchodzą w sposób przewidywalny. Podobnie zachowywała się sucha skórzana piłka z lat trzydziestych.

Wszystko zmienia się pod wpływem wilgoci. Mokra skórzana skorupa staje się nawet pięciokrotnie mniej sztywna niż jej suchy odpowiednik. Strefa kontaktu z podłożem ulega rozszerzeniu, a materiał mocno się odkształca. Rozpraszając energię zamiast ją magazynować, mokra piłka potrzebuje znacznie więcej czasu na odzyskanie pierwotnego kształtu. W przeszłości oznaczało to jedno: zmagania z ciężkim, stawiającym opór przedmiotem i wolniejsze tempo gry w deszczu.

Rozszerzająca się moc obliczeniowa w chmurze

Standardowe testy na komputerze stacjonarnym to dopiero początek. Wzrost wymagań projektowych sprawia, że potrzebujemy większej mocy obliczeniowej do pełnej weryfikacji produktu. W tym celu wykorzystano platformę 3DEXPERIENCE w chmurze.

Dzięki narzędziu SOLIDWORKS Simulation Analyst, opartemu na zaawansowanych algorytmach i solverach Abaqus, dokładnie zbadano zachowanie mokrej piłki pod wpływem uderzenia. Potwierdziło to wcześniejsze wnioski i udowodniło, że kompleksowa weryfikacja cyfrowa pozwala spełnić rygorystyczne standardy wydajnościowe jeszcze przed stworzeniem fizycznego prototypu.

Inżynieria przyszłości sportu

Symulacja na każdym etapie daje Ci pełną kontrolę nad projektem. Pozwala odkrywać historię, eliminować słabe punkty i rozwiązywać problemy konstrukcyjne na długo przed produkcją.

Chcesz wdrożyć zaawansowane narzędzia symulacyjne w swojej firmie i projektować z absolutną pewnością? Odwiedź nasz sklep online, wybierz odpowiednie oprogramowanie dla swojego zespołu lub skontaktuj się z nami, aby porozmawiać o optymalnych rozwiązaniach inżynieryjnych.