Влияние формы панели футбольного мяча на летные характеристики

1. Перетащите силу в аэродинамическую трубу Испытания в аэродинамической трубе проводились с использованием...
2. Отклонения координат точек удара

Перетащите силу в аэродинамическую трубу

Испытания в аэродинамической трубе проводились с использованием различных новых футбольных мячей, а именно: Brazuca (Adidas, 6-панельная), Cafusa (Adidas, 32-панельная), Jabulani (Adidas, 8-панельная), Teamgeist 2 (Adidas, 14-панельная) и обычные (Vantaggio, Molten, 32-панельные). Шарики были установлены, как показано на Рисунок 1 , Две панельные ориентации футбольных мячей, обозначенные как ориентации A и B (см. фигура 2 ) были использованы для исследования, и соответствующие аэродинамические свойства были измерены.

Рисунок 1: Фотография испытательной установки в аэродинамической трубе.Рисунок 2: Футбольные мячи, используемые для теста, и их ориентация на панели.

(a, b) Adidas Brazuca: небольшая ямочка и шесть панелей, (c, d) Adidas Cafusa: текстура с небольшой рукояткой и 32 измененные панели, (e, f) Adidas Jabulani: маленькие гребни или выступы и восемь панелей, (g, h ) Adidas Teamgeist 2: небольшие выпуклости и 14 панелей; (i, j) Molten Vantaggio (обычный футбольный мяч): гладкая поверхность и 32 пятиугольные и шестиугольные панели. (Фото SH).

Было замечено, что сопротивление существенно варьируется в зависимости от типа шара ( Рисунок 3 ). Изменение коэффициента сопротивления в зависимости от ориентации панели также было значительным для Кафуса и Джабулани, в то время как оно было относительно небольшим для Бразуки, Teamgeist 2 и обычного мяча. Кризисный режим сопротивления, который указывает на внезапное изменение коэффициента сопротивления Cd , был самым низким для Бразуки, за которым следовали обычный мяч, Cafusa, Teamgeist 2 и Jabulani, в порядке возрастания. В случае Cafusa Cd уменьшился с ~ 0,5 до ~ 0,2 или менее при числе Рейнольдса Re 1,7 × 105 для ориентации панели A и при Re 1,5 × 105 для ориентации панели B ( Рисунок 3b ). Критические числа Рейнольдса для Cafusa составляли ~ 2,9 × 105 ( Cd ≈ 0,14) и ~ 2,4 × 105 ( Cd ≈ 0,16) для ориентаций панели A и B соответственно. Критическое число Рейнольдса для Джабулани для ориентации панели B составляло ~ 3,6 × 105 ( Cd ≈ 0,12), что было меньше значения ~ 3,3 × 105 ( Cd ≈ 0,16) для ориентации панели A. Эти значения были меньше, чем для другие шары ( Рисунок 3с ). Изменение коэффициента сопротивления в зависимости от ориентации панели было небольшим для Brazuca, Teamgeist 2 и обычного мяча ( Рисунки 3a, 3d и 3e ). Критические числа Рейнольдса для Бразуки были определены как ~ 2.5 × 105 ( Cd ≈ 0.15) и ~ 2.2 × 105 ( Cd ≈ 0.16) для ориентаций панели A и B соответственно. Соответствующие значения для Teamgeist 2 были ~ 3,0 × 105 ( Cd ≈ 0,17) и ~ 2,8 × 105 ( Cd ≈ 0,15), а значения для обычного мяча были ~ 2,5 × 105 ( Cd ≈ 0,16) и ~ 2,8 × 105 ( Cd ≈ 0,17) соответственно. Кроме того, было отмечено, что изменение сопротивления по Джабулани с ориентацией панели было относительно значительным для чисел Рейнольдса в диапазоне 3,0 × 105–5,0 × 105.

Рисунок 3: Изменение коэффициента сопротивления в зависимости от типа шара и ориентации панели: (a) Brazuca, (b) Cafusa, (c) Jabulani, (d) Teamgeist 2, (e) обычный мяч.

Боковые и подъемные силы в аэродинамической трубе

Рисунок 4 показаны точечные диаграммы подъемной силы и боковых сил, действующих на футбольные мячи. Диаграммы показывают, что нерегулярные флуктуации увеличивались при увеличении скорости потока с 20 до 30 м · с-1. Такая же тенденция наблюдалась при изменении ориентации панели. Изменение нерегулярных колебаний с увеличением скорости было наименьшим для Teamgeist 2 ( Рисунки 4g-1 и 4h-1 ) и наибольшее для панельной ориентации А Джабулани ( Рисунок 4f-1 ). Нерегулярные флуктуации были более заметными для обычного шара, когда скорость потока увеличивалась. SD боковых и подъемных сил также увеличивается с увеличением скорости потока ( Цифры 4к и 4л ). Эта тенденция наблюдалась и при изменении ориентации панели. SD сил был самым высоким для Джабулани при скорости потока 20 м · с-1, и нерегулярные флуктуации наблюдались при промежуточной скорости. SD боковых сил для ориентации панели А Джабулани не увеличивалось с увеличением скорости потока. Кроме того, SD боковых и подъемных сил для ориентации панели В Джабулани уменьшалось с увеличением скорости потока, которая отличалась от случаев других шаров.

Рисунок 4: Диаграммы рассеяния боковых и подъемных сил шариков и SD соответствующих сил для каждой скорости потока (через 9 с).

При увеличении скорости потока от 20 м · с − 1 (a – j) до 30 м · с – 1 (a-1– j-1) нерегулярные колебания боковых и подъемных сил увеличивались. SD боковых (k) и подъемных (l) сил увеличивалось с увеличением скорости потока.

Корреляция между скоростями роста SD боковой и подъемной сил, когда скорость потока была увеличена с 20 до 30 м · с-1, и увеличенными общими расстояниями связей панели показаны в Рисунок 5 , Здесь скорость роста определяется как среднее значение SD боковой и подъемной сил. Увеличенное общее расстояние склеивания панелей и количество панелей были следующими: 3,32 м и шесть панелей для Brazuca, 4,47 м и 32 панели для Cafusa, 1,98 м и восемь панелей для Jabulani, 3,47 м и 14 панелей для Teamgeist 2, и 3,84 м и 32 панели для обычного мяча. Наблюдалась сильная корреляция между этими параметрами и приращением скорости потока (r = 0,64).

Рисунок 6 показывает нестационарные аэродинамические силы (боковая сила и подъемная сила) каждого футбольного мяча в виде амплитуд в низкочастотном диапазоне (10 Гц и ниже) в соответствии с быстрым преобразованием Фурье (БПФ). В большинстве случаев это приводило к увеличению амплитуды примерно на 2,5 Гц. В частности, ориентация панели B шара Джабулани ( Рисунки 6f и 6f-1 ) и ориентация панели B обычного шара ( Рисунки 6j и 6j-1 ) указывает на большие амплитуды по сравнению с другими футбольными мячами в этой области более низких частот (2,5 Гц).

Рисунок 6: Амплитуда относительно нестационарных аэродинамических сил (синяя линия: боковая сила, красная линия: подъемная сила) футбольных мячей, полученных с использованием БПФ при скорости потока 30 м · с − 1.

(a, b) Бразука, (c, d) Кафуса, (e, f) Джабулани, (g, h) Teamgeist 2 и (i, j) обычный мяч.

Отклонения координат точек удара

Мячи были фактически запущены ударным роботом ударного типа по направлению к сетке ворот на расстоянии 25 м, и точки, в которые они попали в сетку ворот, были нанесены, как показано на Рисунок 7 , Начальная скорость запуска составляла 30 м · с-1, а число вращений шариков было меньше 1 (без вращения). Запуск повторяли 20 раз для каждой ориентации панели каждого типа шара. Было отмечено, что точки удара Бразуки и обычного мяча относительно стабильны, тогда как точки других трех мячей (Кафуса, Джабулани и Teamgeist 2) существенно различались в зависимости от ориентации панели. Воздействие Джабулани было нестабильным, и его траектория значительно варьировалась в зависимости от ориентации панели ( Рисунок 7с ). Траектории Cafusa и Teamgeist 2 также значительно варьировались в зависимости от ориентации панели ( Рисунки 7b и 7d ). Изменения характеристик полета (точек удара) Cafusa и Teamgeist 2 с ориентацией панели были особенно резкими, что указывало на то, что их ориентация панели значительно влияла на их характеристики полета. Brazuca и обычный мяч демонстрировали относительно стабильные и регулярные траектории полета по сравнению с Cafusa, Teamgeist 2 и Jabulani, чьи формы панелей значительно варьировались в зависимости от ориентации и характеризовались относительно нерегулярными траекториями полета. Несмотря на то, что Cafusa имеет такое же количество панелей (32), что и обычный шар, он демонстрирует большое изменение траектории полета в зависимости от ориентации панелей.

Рисунок 7: Сравнение характеристик полета (точек удара) различных шаров для разных ориентаций панели (начальная скорость запуска 30 м · с − 1 и угол 15 °).

(а) Бразука, (б) Кафуса, (в) Джабулани, (г) Teamgeist 2, (д) ​​обычный мяч.

Кроме того, стандартные отклонения ( SD ) точки удара Cafusa для ориентаций A и B составили соответственно 0,17 и 0,16 м в вертикальном направлении и 0,36 и 0,68 м в горизонтальном направлении. Соответствующие значения для Jabulani были 0,14 и 0,51 м, 0,49 и 0,43 м, для Teamgeist 2 - 0,13 и 0,16 м, 0,22 и 0,32 м, для обычного мяча - 0,36 и 0,19 м, 0,51 и 0,48 м, а для Brazuca были 0,45 и 0,22 м и 0,22 и 0,20 м. Таким образом, SD точки удара Cafusa для ориентации панели B были самыми высокими в горизонтальном направлении, тогда как SD Jabulani для ориентации панели B были самыми высокими в вертикальном направлении.

На графиках рассеяния СД в Рисунок 8 горизонтальная ось представляет SD боковой и подъемной сил соответственно, а вертикальная ось представляет горизонтальную и вертикальную SD точки удара мяча по воротам соответственно. Наблюдалась сильная корреляция между SD горизонтальной точки удара и боковой силой (r = 0,62) ( Рисунок 8а ), и между SD вертикальной точки удара и подъемной силой (r = 0,53) (рис. б).

Похожие

Комментарии