Trái bóng World Cup: Vẻ đẹp của khoa học và kỹ thuật
Mỗi kì World Cup, người hâm mộ sẽ được chiêm ngưỡng một trái bóng mới. Ẩn bên trong mỗi trái bóng là rất nhiều đổi mới sáng tạo đến mức có thể nói cứ sau bốn năm, nó lại tiến hóa một cách khác thường.
Cứ bốn năm một lần, song song với quá trình chuẩn bị tranh tài của các đội tuyển giành vé dự vòng chung kết, các nhà khoa học lại phân tích trái bóng mới để xem điều gì được đặt vào tâm điểm của môn thể thao đẹp bậc nhất thế giới. Kỳ World Cup Qatar 2022 này cũng vậy. Bất chấp những tranh cãi về tham nhũng và rắc rối về việc trao quyền đăng cai World Cup cho quốc gia Tây Á này cũng như quá trình chuẩn bị của họ cho ngày hội lớn của bóng đá, vẫn còn nguyên vẻ đẹp của khoa học và kỹ thuật trong trái bóng.
Vật lý của lực cản
Giữa những cú sút vào khung thành, các cú đá phạt trực tiếp và những đường chuyền dài, rất nhiều khoảnh khắc quan trọng của một trận bóng đá xảy ra khi trái bóng bay trong không khí. Vì vậy, một trong những đặc điểm quan trọng nhất của một trái bóng là cách nó di chuyển xuyên qua không khí như thế nào.
Khi một trái bóng bay trên không trung, có một lớp mỏng của không khí, chủ yếu là không khí tĩnh, được gọi là lớp biên ở quanh trái bóng. Khi tốc độ thấp, lớp biên này sẽ chỉ bao phủ nửa phía trước trái bóng trước khi dòng chảy khí tách ra khỏi bề mặt của nó. Trong trường hợp này, dòng khí ổn định ở đằng sau trái bóng được gọi là dòng chảy tầng (laminar flow).
Khi trái bóng chuyển động nhanh hơn, lớp khí biên bao bọc quanh trái bóng lớn hơn nhiều. Khi dòng khí cuối cùng tách khỏi bề mặt trái bóng, nó tạo ra một loạt những cuộn xoáy hỗn độn. Quá trình này được gọi là dòng chảy rối (turbulent flow).
Khi tính toán không khí chuyển động tác động bao nhiêu lực lên một vật thể đang chuyển động – lực cản/kháng lực của không khí – các nhà vật lý thường sử dụng một thuật ngữ là hệ số lực cản. Với một tốc độ nhất định, hệ số lực cản càng cao thì vật thể đó càng cảm nhận được lực cản với mình nhiều hơn.
Trong một trái bóng đá, hệ số lực cản chính là tỉ lệ giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối, thường xấp xỉ 2,5. Dẫu điều này có thể được xem như phản trực giác nhưng bề mặt nhám của một trái bóng sẽ làm giảm đi sự phân tách của lớp biên khí và giữ cho trái bóng ở trong dòng chảy rối được lâu hơn. Sự thật này của vật lý – những trái bóng có bề mặt nhám hơn thì cảm nhận ít lực cản hơn – là nguyên nhân làm trái bóng golf có bề mặt dạng như vậy bay xa hơn so với chính nó khi bề mặt trơn láng.
Để làm ra được một quả bóng đá hoàn hảo, tốc độ ở điểm dòng chảy khí chuyển từ chảy rối sang chảy tầng rất quan trọng. Đó là nguyên nhân vì sao xuất hiện sự chuyển đổi này, trái bóng thường bắt đầu chuyển động chậm hẳn lại. Nếu dòng chảy tầng bắt đầu ở tốc độ quá cao, trái bóng chuyển động chậm lại nhanh hơn so với trái bóng ở trong dòng chảy rối lâu hơn.
Sự tiến hóa của trái bóng World Cup
Adidas được chọn là nhà cung cấp các trái bóng cho World Cup Mexico kể từ năm 1970. Những trái bóng của các kỳ World Cup gần đây khác hẳn so với trái bóng này bởi đó là lần đầu tiên quả bóng có hai màu đen trắng. Nó được thiết kế để khán giả có thể theo dõi qua màn hình ti vi đen trắng. Đến năm 2002, mỗi quả bóng gồm 32 miếng da được khâu lại với nhau, trong đó 20 miếng hình lục giác và 12 miếng hình ngũ giác.
Một kỷ nguyên mới bắt đầu vào năm 2006, khi vòng chung kết World Cup diễn ra tại Đức. Trái bóng 2006 mang tên Teamgesit bao gồm 14 miếng da tổng hợp trơn nhẵn, được gắn lại với nhau bằng nhiệt thay vì khâu lại như truyền thống.
Để làm ra được một quả bóng đá hoàn hảo, tốc độ ở điểm dòng chảy khí chuyển từ chảy rối sang chảy tầng rất quan trọng. Đó là nguyên nhân vì sao khi xuất hiện sự chuyển đổi này, trái bóng thường bắt đầu chuyển động chậm hẳn. Nếu dòng chảy tầng bắt đầu ở tốc độ quá cao, trái bóng chuyển động chậm lại nhanh hơn so với trái bóng ở trong dòng chảy rối lâu hơn.
Các miếng da được gắn theo kiểu mới, không chỉ nhẹ hơn mà còn giữ cho nước không lọt vào bên trong trái bóng trong những ngày có mưa hoặc có độ ẩm cao. Việc làm một quả bóng như vậy cần những vật liệu mới, với những kỹ thuật mới và số lượng các miếng da ít hơn đã làm thay đổi cách bóng bay xuyên qua không khí. Trong ba kỳ World Cup trước, Adidas đã cố gắng cân bằng số lượng các miếng da, các đặc tính của đường may và kết cấu bề mặt để tạo ra những trái bóng có khí động lực học đúng như mong đợi.
Sự thay đổi của trái bóng không chỉ vì mục tiêu nghệ thuật. Tuy nhiên cầu thủ thường phàn nàn về hành vi thất thường của trái bóng Teamgesit khi bay. Vì vậy đến kỳ World Cup tiếp theo ở Nam Phi vào năm 2010, Adidas đã thiết kế lại trái bóng – giờ nó mang tên Jabulani. Trái bóng Jabulani có kết cấu bề mặt khiến cho các đường may ngắn hơn và số mảnh da ít hơn với 8 mảnh. Bất chấp nỗ lực này của Adidas, Jabulani vẫn là một quả bóng gây tranh cãi với nhiều lời phàn nàn là tốc độ của nó bị giảm một cách đột ngột. Nhiều huấn luyện viên và cầu thủ cho là độ lệch hướng không thể dự đoán được của nó giống như trái bóng của môn bóng đá bãi biển, có lẽ bởi Jabulani quá nhẹ với khối lượng giới hạn ở mức 445 gam. Thủ môn Iker Casillas của đội tuyển Tây Ban Nha chỉ trích quả bóng là “thứ thối nát”, trong khi thủ môn Gianluigi Buffon của đội tuyển Ý thì coi nó là “không thể dự đoán được”, và Julio Cesar của Brazil đề xuất là có thể mua được quả bóng tốt hơn nhiều trong siêu thị.
Theo giáo sư Eric Berton, Phó giám đốc Viện Nghiên cứu Khoa học Chuyển động ở Marseille, Pháp thì có thể một phần của vấn đề là do thời gian tiếp xúc với đôi chân đã giảm xuống và hệ quả là quả bóng di chuyển gần hơn, có quỹ đạo ít dự đoán được hơn, ngay cả với một tiền đạo hay một thủ môn. Do máy chế tạo, Jabulani rất gần với một quả cầu hoàn hảo và có xu hướng đột ngột giảm tốc độ khi đang bay – một đặc điểm khiến các cầu thủ bối rối. Giáo sư Derek Leinweber tại Đại học Adelaide, sau một loạt thử nghiệm trên máy tính nhận ra là quả bóng trở nên khó đoán định hơn so với những quả bóng trước đó nên thủ môn không còn khả năng dự đoán được quỹ đạo bay của nó.
Khi phân tích trái bóng trong một đường hầm gió ở phòng thí nghiệm, các nhà khoa học phát hiện ra Jabulani quá trơn nhẵn và khó có một hệ số lực cản cao hơn trái Teamgesit. Khi quét tia laser lên bề mặt của Jabulani và một quả bóng khâu tay, thông tin cho thấy đường khâu của nó sâu hơn gấp đôi ở Jabulani.
Những điểm này đã được cải thiện trong quả bóng tiếp theo. Trái bóng World Cup ở Brazil vào năm 2014 là Brazuca và Nga năm 2018 là Telstar 18 đều có sáu miếng da hình dáng kỳ quặc. Dẫu chúng có kết cấu bề mặt nhẹ một cách khác biệt nhưng về tổng thể chúng đều có bề mặt nhám và do đó có các đặc tính khí động lực học tương tự nhau. Eric Goff, một giáo sư vật lý ở trường Đại học Lynchburg tại Virginia và tham gia nhóm phân tích trái bóng, đã thực hiện nhiều cuộc thí nghiệm và đo đạc bề mặt. So sánh với Brazuca, ông thấy Telstar 18 có nhiều lực cản hơn khi bay trong không khí. Điều đó nghĩa là nó bay qua khoảng cách ngắn hơn – ngắn hơn khoảng tám đến 10% so với Brazuca – khi được đá với một tốc độ cao hơn 90 km/giờ. “Điều này khiến các tiền đạo, những người đá bóng ở khoảng cách xa khung thành hơn, cảm thấy không vui vì phải đá bóng mạnh hơn nhưng lại khiến các thủ môn hài lòng hơn vì trái bóng Telstar 18 khi đá với tốc độ cao thường chạm đến khung thành chậm hơn so với Brazuca”, Eric Goff nói. Sungchan Hong của Khoa Khoa học thể thao ở trường Đại học Tsukuba, đã dùng thí nghiệm bằng robot và phát hiện ra là Telstar 18 có “một quỹ đạo bền so với những trái bóng trước, nhất là trong những tình huống cố định như đá phạt trực tiếp, phạt góc”.
Al Rihla, trái bóng World Cup ở Qatar gồm 20 miếng da với mực và keo chứa nước, trong đó 8 miếng nhỏ hình tam giác đều và 12 miếng lớn hơn, hình dạng giống như một cái kem ốc quế. Al Rihla có đặc điểm khí động lực học tương tự với hai trái bóng trước là Brazuca và Telstar 18, thậm chí còn có thể di chuyển nhanh hơn một chút, ngay cả khi vận tốc xuất phát thấp hơn, nên được kỳ vọng đem lại cảm giác thân thuộc với mọi cầu thủ tham gia World Cup năm nay.
Thực tế đem lại những phản hồi trái ngược với dự đoán của các nhà khoa học. Hóa ra, nhiều cầu thủ ưa thích cả Brazuca lẫn Telstar 18 nhưng cũng một số phàn nàn, đặc biệt là các thủ môn bởi họ cho là Telstar 18 dễ bị nảy bật ra và khó để tóm gọn.
Trái bóng Al Rihla
Trái bóng World Cup ở Qatar năm nay là Al Rihla (“cuộc hành trình” trong tiếng Ả Rập). Nó gồm 20 miếng da với mực và keo chứa nước, trong đó tám miếng nhỏ hình tam giác đều và 12 miếng lớn hơn, hình dạng giống như một cái kem ốc quế. Thay vì sử dụng các kết cấu nổi lên để gia tăng độ nhám bề mặt như những quả bóng trước đây, Al Rihla được bao phủ bởi những điểm lõm giống như lúm đồng tiền trên má con người, điều này khiến cho bề mặt của nó khác biệt so với những quả bóng trước.
Để tạo ra sự khác biệt này, các đường nối của Al Rihla rộng hơn và sâu hơn – có lẽ rút kinh nghiệm từ lỗi của quả bóng quá trơn nhẵn Jabulani với những đường gắn ngắn và nông khiến nhiều cầu thủ cảm thấy bóng bay quá chậm trong không khí. Các nhà khoa học ở Nhật Bản đã thử nghiệm trái bóng World Cup trong một đường hầm gió ở Đại học Tsukuba. Khi dòng khí chuyển từ dòng chảy rối sang chảy tầng, hệ số lực cản gia tăng nhanh chóng. Khi điều này xảy ra với một trái bóng đang bay, trái bóng sẽ ngay lập tức chịu một lực cản ngày một tăng và do đó giảm tốc độ một cách đột ngột.
Phần lớn những trái bóng World Cup mà các nhà khoa học thử nghiệm đều có sự chuyển pha ở vận tốc 57,93 km/giờ trong khi trái bóng Jubalani đạt tốc độ 82,07 km/giờ. Chúng ta cần biết rằng phần lớn các cú đá phạt trực tiếp đều xuất phát với tốc độ 97m/giờ, điều này khiến cho các cầu thủ cảm thấy Jabulani quá chậm và quá khó để dự đoán. Al Rihla có đặc điểm khí động lực học tương tự với hai trái bóng trước là Brazuca và Telstar 18, và thậm chí còn có thể di chuyển nhanh hơn một chút, ngay cả khi vận tốc xuất phát nhỏ hơn.
Có lẽ vẫn tồn tại những quan điểm trái chiều, bởi dẫu đổi mới thì các trái bóng mới không thể chiều lòng hết mọi người. Bởi khoa học đã chứng tỏ là Al Rihla sẽ đem lại cảm giác thân thuộc với mọi cầu thủ tham gia World Cup năm nay.□
Anh Vũ tổng hợp
Nguồn: https://theconversation.com/world-cup-this-years-special-al-rihla-ball-has-the-aerodynamics-of-a-champion-according-to-a-sports-physicist-194585
https://phys.org/news/2010-06-jabulani-ball-straight-scientists.html
https://news.mit.edu/2014/explained-how-does-soccer-ball-swerve-0617
