Les scientifiques ont découvert le secret du Coup franc
Lebanon, New Hampshire (Etats Unis), Sheffield (Grand Bretagne), Wavre (Belgique) et Yamagata (Japon) - Trois groupes de chercheurs travaillant en collaboration ont percé quelques-uns des mystères à l'uvre dans la " courbe " du ballon lors des tirs au football, phénomène qui marquera la prochaine Coupe du monde de football au Japon et en Corée. Les chercheurs ont voulu comprendre cet " art " très difficile à maîtriser sur le plan technique qui consiste à marquer des buts sur coup de pied arrêté lors de " coups francs ".
Un art perfectionné par des joueurs de football de renommée mondiale tels que le Brésilien Roberto Carlos, l'Allemand Michael Ballack et l'Anglais David Beckham. Des ingénieurs du Sports Engineering Research Group de l'université de Sheffield, du Sports Science Laboratory de l'université de Yamagata et de Fluent, Benelux, ont réalisé une analyse scientifique fondamentale et technique de cette facette captivante du " ballon rond ".
" Nous pensons que nos recherches sur les mécanismes physiques sous-jacents de ce jeu sont cruciales pour nous aider à mieux expliquer les coups francs ", commente le docteur Matt Carré du Sports Engineering Research Group de l'université de Sheffield. Avant d'ajouter : " Les essais en soufflerie, les analyses au moyen de caméras à grande vitesse, les simulations de trajectoire et les techniques de modélisation par ordinateur comme la dynamique des fluides sont un moyen très efficace d'expliquer le phénomène. Pour nous, ce travail permet de mieux saisir les conditions permettant de perfectionner la fabrication des ballons de football, avec à la clé notamment des coups francs d'autant plus réussis. Nous pensons donc que notre approche fondamentale des aspects techniques du football sera riche d'enseignements pouvant être mis en pratique sur le terrain d'entraînement et améliorer les techniques des jeunes footballeurs. "
Dr Keith Hanna, directeur de la communication commerciale de Fluent, abonde dans le même sens et rappelle que, " à chaque coupe du monde de football, les discussions reviennent inévitablement sur les fabuleux coups francs qui, parce que le ballon s'incurve en vol, arrivent à déjouer les défenseurs comme les gardiens de but. Dans la seconde ou seconde et demie que dure un coup franc, le ballon subit des phénomènes physiques hautement complexes. Le travail de simulation que nous avons réalisé en collaboration avec les universités de Sheffield et Yamagata est absolument fondamental et débouchera selon moi sur une série d'études supplémentaires. Je n'arrive toujours pas à croire que des joueurs d'élite comme D. Beckham et R. Carlos arrivent à tirer de tels coups francs spontanément et sous une pression immense dans des matches cruciaux. En quelques secondes, leur cerveau procède à des calculs de trajectoire extrêmement précis, uniquement fondés sur l'intuition et la pratique, alors même que nos ordinateurs ont besoin de plusieurs heures pour réaliser la même opération. Et même si nous sommes à présent en mesure de mieux expliquer scientifiquement ce qui se cache derrière leurs actions, cela reste magique à regarder ! "
Etudes en soufflerie et modélisation de trajectoire
A l'université de Sheffield, les essais menés en soufflerie sur un ballon de football ordinaire ont démontré que l'écoulement de l'air autour du ballon passe du stade laminaire à turbulent à des vitesses comprises entre 8 et 10m/s. Toutefois, ce résultat dépend énormément de la structure et de la texture de la surface du ballon, facteur important si l'on sait que la traînée subie par le ballon tout au long de sa course aérienne lors d'un coup franc influe fortement sur sa trajectoire, notamment si le ballon tourne sur lui-même. On sait depuis longtemps qu'un ballon en rotation se déplace latéralement pendant sa course dans les airs sous l'impulsion d'un phénomène dit effet Magnus. Cet effet tient au fait que, sur la face du ballon (en rotation et en déplacement dans l'air) où la rotation et l'écoulement de l'air vont dans le même sens, la vitesse aérodynamique augmente et la pression diminue ; sur la face où le mouvement de la surface du ballon va dans le sens opposé de l'écoulement, la vitesse aérodynamique diminue et la pression augmente. Ce déséquilibre de pressions est à l'origine de l'effet transversal Magnus qui est si prononcé lorsque le ballon ralentit en bout de course, et en particulier quand une rotation considérable lui est également imprimée. Cet équilibre entre frottement transversal et force de traînée reste à peu près identique durant la majeure partie de la trajectoire du ballon avant de se modifier considérablement à l'approche des buts au moment où l'écoulement autour du ballon change de stade.
Dr Carré ajoute que " l'essai en soufflerie vient conforter une vieille intuition des chercheurs selon laquelle un ballon de football auquel n'est pas imprimé de rotation présente des caractéristiques de traînée similaires à celles d'une balle de golf et sensiblement différentes de celles d'une sphère lisse. Ce point de transition d'un écoulement turbulent à laminaire autour du ballon joue un rôle clé dans les coups francs au football car la traînée subie par le ballon à ce moment-là augmente de 150 % en une fraction de seconde. C'est ce phénomène qui, conjugué à l'effet de rotation Magnus quasi-permanent, produit les mouvements de plongée ou latéraux si fascinants des meilleurs coups francs lorsque le ballon approche des buts. Ce passage d'un régime turbulent à laminaire de la couche limite semble également varier selon le taux de rotation du ballon et le dessin des coutures à la surface du ballon utilisé. A de forts taux de rotation, la transition intervient à des vitesses plus élevées. "
Dr Carré explique que la technique mise au point par leurs soins à Sheffield a permis d'analyser dans les moindres détails le but spectaculaire marqué par David Beckham en 2001 lors du match de qualification pour la Coupe du monde Angleterre-Grèce. Le ballon a quitté le pied de D. Beckham à environ 36 m/s (130 km/h) à une distance d'environ 27 m avec une rotation considérable et a filé à 50 centimètres au-dessus du mur défensif. Le ballon dépassait la hauteur de la barre transversale en vol quand il s'est déplacé latéralement d'environ 3 m sous l'impulsion du fort effet de rotation imprimé avant de ralentir brutalement à environ 19 m/s (68 km/h) et enfin de plonger dans l'angle du but. " Il est quasi-certain que l'écoulement autour du ballon est passé de turbulent à laminaire à plusieurs mètres du but ", a-t-il souligné, " car sinon, selon nos calculs, le ballon aurait dû passer au-dessus de la barre transversale. D. Beckham a appliqué des mécanismes physiques très complexes à son coup de pied ! "
Etude en mécanique des fluides numérique: (CFD : Computationnal Fluid Dynamics)
Des simulations CFD, en complément des essais en soufflerie, ont été réalisées par M. Joeri Wilms de Fluent Benelux. Le chercheur s'est appuyé sur le même modèle que celui utilisé dans l'analyse expérimentale. Son travail, dont les conclusions vont dans le sens des résultats expérimentaux, pousse l'analyse à des domaines que la soufflerie ne pouvait pas traiter et fournit également des explications précises sur les phénomènes d'écoulement en jeu. Par exemple, il a découvert que, derrière un ballon ne tournant pas sur lui-même et se déplaçant à faible vitesse, un grand décollement de l'écoulement était observable. Quand la vitesse de l'air augmente, le décollement diminue. De même, ce décollement s'incurve lorsqu'une rotation croissante est imprimée au ballon dans les simulations CFD. L'étude CFD a permis de dégager le jeu précis des forces qui a pu ensuite être intégré dans un modèle de visualisation de la trajectoire des coups francs. Le chercheur a également confirmé que les coutures du ballon font " sauter " la couche limite de l'air sur le ballon et que, en fonction de l'orientation du ballon par rapport à l'écoulement auquel il est opposé (et du dessin des pièces du ballon), les décollements de l'écoulement dans le sillage du ballon sont très différents et complexes.
Simulations de coups de pieds
Au Japon, le docteur Takeshi Asai et son équipe ont mis au point des techniques pour analyser les films à grande vitesse de joueurs de football frappant un ballon du pied. Ils s'attardent surtout sur les déformations que subissent le ballon et le pied du joueur lors de l'impact, clé indispensable pour comprendre et prévoir le mouvement ultérieur du ballon dans l'air. La simulation par ordinateur des déformations structurelles en question leur a permis de prévoir le taux de rotation qu'un joueur peut imprimer au ballon pour une vitesse à l'impact, un angle et un point de contact donnés. Ce travail leur a ensuite permis de déduire la " zone de frappe idéale " exacte sur un ballon, où il convient de frapper pour lui imprimer une rotation optimale, effet désirable en particulier sur coup franc. Les recherches de Yamagata montrent qu'en frappant à 80 mm du centre du ballon de football, la rotation imprimée est quasi-doublée (8 rad/s) par rapport à une frappe portée à 40 mm du centre (4 rad/s). En outre, par un jour de forte humidité, où le coefficient de frottement entre la chaussure et le ballon est faible, le taux de rotation transmis au ballon peut chuter d'un tiers par rapport à un jour sec.
Dr Asai commente : " Je pense que les techniques de modélisation par ordinateur que mon équipe a mises au point devraient nous aider à concevoir de meilleures chaussures de football dans un proche avenir et à comprendre les déformations du pied des joueurs lors de la touche de balle. Ces informations ont d'importantes implications sur les techniques de coup de pied et la prévention des blessures du pied. La collaboration avec Fluent et l'université de Sheffield permet de compléter nos compétences respectives et d'enrichir la compréhension globale de la science du football. Nous présentons une communication conjointe sur ce sujet à la 4ème conférence internationale sur l'ingénierie du sport qui se tiendra prochainement à Kyoto. "
Dr Hanna conclut : " Je crois que le mode de collaboration en cours de développement pourrait être appliqué pour optimiser un certain type de coup franc tiré d'un point donné à l'extérieur de la surface de réparation. Les jeunes joueurs pourraient alors s'entraîner à reproduire ces coups de pieds type. En effet, le travail du Dr Asai pourrait même pousser la précision jusqu'à définir la pointure et la forme idéales du pied nécessaires à un type de coup franc donné. Il ne fait aucun doute qu'un travail passionnant nous attend. "