Der Ball, das unbekannte Wesen
Strömungssimulation lüftet Rätselraten um Flugbahn
und sorgt für gutes Klima in der Allianz Arena
Darmstadt, 01.06.2006
Eigentlich ist im Fußball alles ganz einfach. Der Volksmund weiß, „das Runde muss ins Eckige“. Dass das nicht ganz so einfach ist, haben Forscher in England mit Hilfe von Software zur Strömungssimulation des Marktführers Fluent herausgefunden. Dabei sind sie auch auf eine Erklärung gestoßen, warum einige der weltbesten Torhüter ins Leere greifen, auch wenn der Ball ohne Effet aufs Tor zufliegt. Die neuen Studien der Universität Sheffield und Fluent Europe Ltd. zeigen, dass die Form und die Oberfläche des Balls sowie seine anfängliche Ausrichtung wesentlich die Flugbahn bestimmen, und zu unvorhersehbaren Seitwärtsbewegungen führen können.
Der Ball unter dem "High-Tech Mikroskop"
Im Mutterland des Fußballs wurde dem Ball und insbesondere seiner Flugbahn wissenschaftlich zu Leibe gerückt. An der Universität Sheffield trugen Dr. Matt Carré und sein Forscherteam dazu bei, Einblicke in die verschiedensten Aspekte der Aerodynamik eines fliegenden Fußballes aufzuzeigen. Mit Hilfe der führenden Software zur Strömungssimulation FLUENT, Windkanalexperimenten und Analysen durch Hochgeschwindigkeits-Kameras wurden alle Verhaltensweisen eines fliegenden Fußballs bis ins Detail erforscht.
Sarah Barber, Doktorandin von Dr.Carré und selbst begeisterte Fußballspielerin, hatte die Idee, die bestehenden Erkenntnisse um eine computerbasierte Analyse der offiziell bei Turnieren verwendeten Fußbälle von 1966, 2002, 2004 und 2006 zu erweitern. Sarah Barbers Ziel lag darin, den Zusammenhang zwischen Aerodynamik und Entwicklungen im Fußball-Design über den Zeitraum der letzten 40 Jahre aufzuspüren. Mit einem modernen 3D-Scanner, wie er auch bei der Formel1 Fahrzeugentwicklung Anwendung findet, wurden alle Details ihres Forschungsobjekts erfasst, bis hin zu den Nähten. In Zusammenarbeit mit David Mann, einem leitenden Ingenieur bei Fluent Europe in Sheffield, erfolgte die aerodynamische Auswertung der Daten mit leistungsfähigen Computern.
Kleine Ursachen, große Wirkungen
Die Forscher konnten zeigen, dass die Form, die Oberfläche und die Asymmetrien des Balles sowie seine anfängliche Ausrichtung und eine mögliche Rotation einen entscheidenden Effekt auf seine Flugbahn haben. Und bei einem sich langsam drehenden Ball können die seitlich wirkenden Kräfte schwanken, so dass sich eine flatternde Flugbahn ergibt. Letztendlich hängt der Grad der seitlichen Abweichungen von der anfänglichen Ausrichtung des Balles ab.
Zusammen mit Dr. Takeshi Asai von der Universität Tsukuba in Japan führte das Forscherteam Windkanalmessungen durch um die CFD-Ergebnisse zu validieren. Sie konnten zeigen, dass der Luftwiderstand von Turnierbällen ohne Effet in den letzten 36 Jahren um bis zu 30 % gefallen ist. Moderne Bälle, wie der bei der Fußball WM verwendete „Teamgeist“ , die laut den Herstellern runder sind und eine gleichförmigere Nahtgeometrie haben, weisen eine stabilere Flugbahn auf, wenn sie mit wenig oder keinem Effet geschossen werden.
Der perfekte Ball
Dr. Carré erläutert diese Ergebnisse wie folgt: „Durch unsere Arbeit wurde klar erwiesen, dass eine uneinheitliche Gestaltung von Fußbällen oder Asymmetrien in der Ballgeometrie einen wesentlichen Einfluss auf seitlich wirkende Kräfte haben, die ein Ball ohne Dreheffekt erfährt, und damit im Ergebnis auf die sich ergebende Flugbahn. Unsere Untersuchungen erklären das Phänomen, dass der Ball sich in einer instabilen Form bewegt, möglicherweise auch S-förmig, obwohl er ohne oder mit wenig Effet gespielt wurde.
Sarah Barber fügt hinzu: “Als Fußballspielerin bin ich überzeugt, dass die durchgeführten Studien durchaus einen Einfluß auf die Schußtechnik der Spieler haben werden. Das Wissen um die Zusammenhänge kann natürlich auch von den Herstellern genutzt werden um Bälle zu entwerfen, die das Spielerlebnis für Spieler und Zuschauer in allen Spielphasen erhöhen.“
Strömung gut – Stimmung gut
Doch nicht nur der Ball wurde genauestens analysiert, auch die Architektur von Fußballstadien wurde wissenschaftlich untersucht.
Die Weltmeisterschaft 2006 wird am 9. Juni in der erst letztes Jahr fertiggestellten Allianz Arena in München eröffnet. Dieses 70.000 Besucher fassende Stadion, Heimatstadion sowohl des FC Bayern München als auch des TSV 1860 München, hat ein futuristisches Design und verfügt unterhalb des Stadions über das mit fünf Etagen größte Parkhaus Europas mit einem Fassungsvermögen von 10.000 Fahrzeugen.
Entworfen von den Schweizer Architekten Jacques Duke und Pierre de Meuron verfügt es über großen Besucherkomfort und ist für alle Feuer- und Rauch-Szenarien optimiert. Weiterhin wurde die Qualität der Spielfläche beim Entwurf des Stadions berücksichtigt, mit dem Ziel, bei geöffneten Türen eine gleichmäßige Luftströmung über den Rasen zu gewährleisten.
Dr. Peter Vogel von der GTD GmbH, ein Berater aus Dresden, hatte den Auftrag, die Luftströmung über das Stadion zu untersuchen um den Architekturentwurf zu vervollständigen. Er setzte die CFD Software von Fluent ein um alle erdenklichen Windrichtungen in und um den Stadionkomplex zu simulieren, sowohl bei offenen als auch bei geschlossenen Toren. Mit den Ergebnissen konnte er bestätigen, dass der visionäre Entwurf der Architekten höchsten Sicherheitsstandards entspricht. Des weiteren konnte er veranschaulichen, dass das Lüftungssystem des Parkhauses sogar dann ausreicht, wenn nach dem Spiel 5.000 Fahrzeuge gleichzeitig von den heimwärts strebenden Zuschauern angelassen würden. Ebenso zeigen seine detaillierten Luftströmungssimulationen perfekt die relativ sanften Luftströmungsmuster auf, die die Spieler in der Nähe der Spielfeldoberfläche während eines Spieles erfahren.
Dr. H. Ferit Boysan, Vice President und General Manager bei ANSYS, bringt das Thema auf den Punkt: „Es wird immer offensichtlicher, dass das aerodynamische Verhalten eines Fußballes sehr eng mit seinem Design und seiner Herstellung verknüpft ist, wie die Untersuchungen aus Sheffield belegen. Die Arbeit von Dr. Carré und Dr. Vogel weisen klar den Weg, wie uns moderne Computer die Simulation der Flugbahn eines Fußballes erlauben, mit oder ohne Effet, bei jeder Wetterlage in einem beliebigen Stadion, egal ob es schon besteht oder erst noch gebaut werden muss. So erhalten wir eine Vorhersage über das, was geschehen kann, noch bevor der Ball überhaupt gespielt wurde! Dies wird uns neue Wege öffnen beim Entwurf von neuen Fußbällen und auch bei der Architektur von Stadien.“
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Text und Bilder
Download unter www.fluent.de/news/pr/pr23.htm
Über Fluent
Fluent ist Weltmarktführer von Software zur Strömungssimulation (CFD) und dazugehörenden Dienstleistungen. Fluent ist eine 100%iger Tochtergesellschaft von Ansys Inc. (Nasdaq ANSS). Fluent Software wird zur Berechnung und Visualisierung von Strömungsvorgängen mit Wärme- und Massenaustausch sowie chemischen Reaktionen eingesetzt und ist ein zentrales Element in der CAE (Computer-Aided Engineering) Prozesskette der Unternehmen weltweit. In nahezu allen Industriebereichen ist Fluent präsent. Die Entwicklungsingenieure erstellen mit Fluent virtuelle Produkt-Prototypen und simulieren die Leistungsfähigkeit existierender und zukünftiger Produkte. Mit den Simulationen erhöht sich die Qualität der Produkte und gleichzeitig reduzieren sich die Entwicklungszeiten. Weiterführende Information www.fluent.com.
Pressekontakt
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Über Ansys
ANSYS, Inc., im Jahr 1970 gegründet, entwickelt und vertreibt weltweit Simulationssoftware für Ingenieuranwendungen und Technolgien, die Ingenieure und Konstrukteure aus allen Industriebereichen einsetzen. Das Unternehmen konzentriert sich auf die Entwicklung von offenen und flexiblen Lösungen, die es den Anwendern erlauben, Entwürfe direkt am Bildschirm zu untersuchen, und stellt so eine einheitliche Plattform für schnelle, effiziente und kostengünstige Produktentwicklung, von ersten Konzept bis hin zur Validierung zur Verfügung. Zusammen mit seinen Vertriebspartnern weltweit betreut das Unternehmen seine Kunden in Fragen von Softwarelizenzen, Support und Training. Mit der Zentrale in Canonsburg, Pennsylvania, U.S.A. und mehr als 40 strategischen Vertriebsstützpunkten beschäftigt ANSYS, Inc. ca. 1350 Angestellte. ANSYS Produkte werden über ein Netzwerk an Vertriebsstellen in über 40 Ländern vertrieben. Weitere Informationen unter http://www.ansys.com.
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Über die technische Forschung, Abteilung Sport an der Universität von Sheffield
Dr. Carrés Forschungsabteilung für Sport hat ihren Sitz an der Universität von Sheffield in England im Fachbereich Mechanik. Die Universität Sheffield ist führend in der Analyse von Bällen und deren Flugverhalten unter Einsatz unterschiedlicher experimenteller Methoden und computerbasierter Simulationsmodelle. Die Untersuchungen finden in enger Zusammenarbeit mit der International Sports Equipment Association (ISEA) und SportPulse statt.
Weitere über Sports Engineering in Sheffield finden Sie unter:
http://www.shef.ac.uk/mecheng/sports http://www.sportspulse.org/
Über die Gebäude-Technik-Dresden GmbH
GTD ist ein Beratungsunternehmen mit Sitz in Dresden. Der Schwerpunkt der Tätigkeit liegt in der Untersuchung und Analyse aller relevanten Aspekten von Gebäuden: Aerodynamik, Belüftung, Rauch- und Feuerszenarien
Weitere Informationen über GTD finden Sie unter: http://www.g-t-d.de
Über die Universität von Tsubaka Sports Science Lab
Das sportwissenschaftliche Institut an der Tsubaka Universität, Japan, wurde von Dr. Takeshi Asai gegründet. Dr. Asai besitzt führende Kenntnisse über die wissenschaftliche Grundlage wie sich Fußbälle beim Schuss verhalten. Seine gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Produktion von Fußballschuhen mit ein. Die Tsubaka Group hat im Verlauf der Untersuchungen auch intensiv die Belastungen von Gelenken während des Schusses wie überhaupt die biomechanische Beanspruchung der Spieler über die Dauer eines ganzen Spieles untersucht.
Kontakt: asai@taiiku.tsukuba.ac.jp
Andere weiterführende Links:
Die Ergebnisse der 2002 ausgeführten Untersuchungen: www.fluent.com/news/pr/pr43.htm
Sheffield FC, der älteste Fußball-Club der Welt: www.sheffieldfc.com/
Die offizielle Web-Site der Fifa: http://fifaworldcup.yahoo.com/