Jak skręcać piłką?

Fizyka w grze w futbol daje o sobie znać dopiero, gdy na boisku stanie się coś nieprzewidywalnego. Wtedy niewtajemniczony kibic zdaje sobie sprawę z tego, że... czegoś tutaj nie rozumie. W czasie mistrzostw świata w 1998 roku Brazylijczyk Roberto Carlos, strzelając gola, kopnął piłkę, nadając jej odpowiednią rotację i prędkość. Piłka najpierw ominęła mur piłkarzy z prawej strony, a później nagle skręciła w lewo i ku totalnemu zdziwieniu bramkarza wpadła do siatki. Z triku Carlosa nic by nie wyszło, gdyby grano w próżni. Wtedy na piłkę w ruchu działałaby jedynie siła grawitacji, a ruch byłby całkowicie przewidywalny. Piłkarze jednak w próżni nie grają. Piłkarz, kopiąc piłkę, potrafi nadać jej spin, umie spowodować, że ta zaczyna wirować. A wtedy dzieją się (prawie) cuda. Piłka, wirując wokół własnej osi, powoduje, że prędkość powietrza, które ją opływa, nie jest jednakowa po każdej stronie. Ta różnica powoduje, że po przeciwnych stronach piłki panuje różne ciśnienie (wynika to z prawa Bernoulliego). A różnica ciśnień – z kolei – powoduje powstanie... siły Magnusa (Gustav Magnus to niemiecki fizyk, który w połowie XIX wieku zajmował się… balistyką). Piłkę można „podkręcić” w zasadzie w każdym kierunku. A wszystko po to, by zmylić bramkarza, przecież on nie wie, w którą stronę piłka wiruje. Odpowiednio podkręcona piłka potrafi zmienić swoją trajektorię lotu aż o 4 metry!

Kopać mocno czy słabo?

Czy dobrze, żeby piłka poruszała się szybko, czy lepiej, gdyby leciała wolno? Intuicja podpowiada, że im szybciej, tym lepiej. Ale intuicja często zawodzi. Problem jest skomplikowany i związany z rodzajami przepływu powietrza wokół poruszającej się piłki. Może on być laminarny, czyli taki, w którym powietrze przepływa wokół obiektu w sposób przewidywalny, albo turbulentny, czyli chaotyczny. Obydwa przypadki są zupełnie inne. Gdy prędkość piłki jest duża, siła Magnusa (ta, która odpowiedzialna jest za „skręcanie” piłki wtedy, gdy ta jest podkręcona – patrz p. 1) ma niewiele do powiedzenia. Nawet bardzo mocno podkręcona piłka będzie poruszała się blisko linii prostej. Gdy jednak piłkę podkręcić i kopnąć niezbyt mocno, wpływ siły Magnusa będzie bardzo duży, a sama piłka zacznie skręcać, w zależności od kierunku, w którym wiruje. I znowu utrudnienie dla bramkarza. Nawet jednak jeżeli piłka zostanie mocno kopnięta, bramkarz nie może być spokojny o tor jej lotu. Dlaczego? Na lecącą piłkę działa siła oporu powietrza. Im prędkość jest większa, tym siła oporu większa. Ta zależność jest kwadratowa, czyli jeżeli prędkość rośnie dwukrotnie, siła oporu zwiększa się czterokrotnie. Piłka nawet bardzo mocno kopnięta, lecąc, zwalnia, bo powietrze stawia jej opór. W efekcie tak długo, jak porusza się szybko, jest „niewrażliwa” na zakrzywiającą jej tor siłę Magnusa, ale gdy jej prędkość spadnie, siła Magnusa zaczyna działać, a piłka zaczyna skręcać. Ta prędkość graniczna zależy od wielu czynników, w tym… wilgotności powietrza czy jego ciśnienia.