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Jul 27, 2023

La physique détient le secret du "service flottant" hautement imprévisible du volley-ball

Jennifer Ouellette - 14 nov. 2019 14 h 59 UTC Un bon service flottant à

Jennifer Ouellette - 14 novembre 2019 14 h 59 UTC

Un bon service flottant au bon moment au volley-ball peut faire ou défaire un match serré, car la trajectoire du ballon est si difficile à prévoir. Ce sont les panneaux de surface des ballons de volley-ball conventionnels qui donnent lieu à ces trajectoires imprévisibles, et la modification des motifs de surface pourrait permettre un vol plus cohérent, selon un article récent dans Applied Sciences.

Tout se résume à la gravité et à l'aérodynamisme. Toute balle en mouvement laisse un sillage d'air qui traîne derrière elle lorsqu'elle vole dans les airs. La traînée inévitable ralentit la balle. Les trajectoires de divers ballons de sport sont affectées non seulement par leur diamètre et leur vitesse, mais également par de minuscules irrégularités à leur surface. Les balles de golf ont des fossettes, par exemple, tandis que les balles de baseball ont des coutures en forme de huit, toutes deux suffisamment cahoteuses pour affecter le flux d'air autour de la balle.

Il est bien connu que le mouvement d'une balle de baseball crée un tourbillon d'air autour d'elle, communément appelé effet Magnus. Les coutures surélevées brassent l'air autour du ballon, créant des zones de haute pression à divers endroits qui (selon le type de terrain) peuvent provoquer des déviations dans sa trajectoire. Les alvéoles des balles de golf réduisent le flux de traînée en créant une couche limite d'air turbulente, tandis que la rotation de la balle génère une portance en créant une zone de pression d'air plus élevée au bas de la balle qu'au sommet.

Les motifs de surface des ballons de volleyball peuvent également affecter leurs trajectoires. Les volley-ball conventionnels ont six panneaux, mais les modèles plus récents ont huit panneaux, un motif hexagonal en nid d'abeille ou des fossettes.

Il y a eu de nombreuses études passées examinant l'aérodynamique des balles de sport : balles de golf, de cricket, de tennis, de baseball, de rugby et de football. Mais pour une raison quelconque, il y a eu une pénurie de recherches axées sur la physique des ballons de volley-ball. En 2010, Takeshi Asai de l'Université de Tsukuba et plusieurs collègues japonais ont décidé d'y remédier en menant une série d'expériences en soufflerie avec trois types de balles avec des motifs de surface distinctement différents : une balle Molten conventionnelle avec six panneaux ; une balle fondue plus récente avec un motif en nid d'abeille ; et une boule alvéolée Mikasa. Ils ont utilisé un dispositif robotique pour "servir" les balles afin d'assurer la cohérence, puis ont mesuré les coefficients de traînée pour chaque balle.

Le coefficient de traînée décrit à quel point l'air qui coule "colle" à la surface de la balle. Plus la balle se déplace rapidement, moins la balle devient "collante". En règle générale, les sillages sont plus grands et les traînées sont plus élevées, à des vitesses lentes, mais si la balle atteint un seuil de vitesse critique, elle subit une soi-disant « crise de traînée » : le sillage se rétrécit soudainement et la traînée chute. C'est essentiellement le point où le flux d'air passe brusquement de laminaire (lisse) à turbulent. Ce seuil de vitesse critique - la vitesse à laquelle le flux d'air devient vraiment turbulent - peut varier considérablement d'un ballon de volley à l'autre.

Dans l'étude de 2010, chaque balle a été servie 20 fois avec trois orientations de panneau différentes. Les auteurs ont découvert que pour des sphères parfaitement lisses, la vitesse critique est d'environ 25 mètres par seconde, soit environ 56 miles par heure. Tous les ballons de volleyball qu'ils ont testés ont montré des vitesses critiques inférieures à celles de la sphère lisse. La balle Molten traditionnelle avait une faible traînée similaire, tandis que la balle Molten à motif en nid d'abeille avait une traînée finale plus élevée. Asai et ses co-auteurs ont suggéré que cela pourrait être dû au fait que le motif en nid d'abeille augmentait la rugosité de la surface du ballon, tandis que l'orientation du panneau de surface (dans le sens transversal ou diagonal) sur le ballon traditionnel lorsqu'il est servi modifie la façon dont l'air circule autour du ballon en plein vol, affectant sa trajectoire.

Pour cette dernière étude, Asai et plusieurs collègues ont utilisé quatre types différents de ballons de volley-ball - deux avec des panneaux, un avec un motif en nid d'abeille et un ballon à fossettes - pour étudier l'aérodynamique du service flottant. Contrairement à un service rapide à rotation supérieure ou à un service sauté, qui suivent tous deux des trajectoires de vol assez prévisibles, un service flottant n'a pas de rotation. Cela rend difficile la prédiction de la trajectoire de la balle ; il peut dévier de manière inattendue, donnant au serveur un avantage concurrentiel.

D'un point de vue physique, le service flottant est similaire au lancer d'un knuckleball au baseball, qui n'est en grande partie pas affecté par la force Magnus, car il n'a pas de rotation. Sa trajectoire est entièrement déterminée par la façon dont les coutures affectent le flux d'air turbulent autour de la balle de baseball. Les coutures d'une balle de baseball peuvent modifier la vitesse (vélocité) de l'air près de la surface de la balle, accélérant la balle ou la ralentissant, selon que lesdites coutures sont en haut ou en bas. Les panneaux des ballons de volley-ball conventionnels ont un effet similaire.

Dans cette dernière étude, chaque balle a été testée 30 fois, pour un total de 240 tests. Les résultats : les boules avec panneaux avaient le seuil de vitesse critique le plus élevé, ce qui entraînait des schémas de vol imprévisibles. La balle à motif en nid d'abeille avait un seuil critique beaucoup plus bas, tandis que le motif à fossettes augmentait le seuil. Les boules en nid d'abeille et à fossettes avaient également moins de différence dans la crise de traînée, quelle que soit l'orientation du panneau. Les auteurs supposent donc qu'il devrait être possible de contrôler le moment où la crise de traînée se produit simplement en modifiant la conception de la surface de la balle.

"Les ballons de volley-ball les plus couramment utilisés ont six panneaux avec trois bandes rectangulaires parallèles", a déclaré Asai à propos de ces résultats. "L'utilisation d'un motif hexagonal ou alvéolé à la place pourrait augmenter considérablement la cohérence de son vol. Cette recherche peut avoir des implications importantes non seulement dans le sport, mais aussi pour développer des drones plus efficaces et plus stables."

DOI : Sciences appliquées, 2019. 10.3390/app9194007 (À propos des DOI).