L’Euro 2024 sera marqué par l’utilisation du ballon innovant Adidas® Fussballliebe®, dont la surface présente une structure unique et atypique, avec des nervures circulaires et semi-circulaires et des alvéoles profondes, ainsi que des jointures entre les panneaux. Dès que j’ai vu les premières images du ballon, j’ai su qu’il fallait que nous le modélisions pour avoir une estimation de ses propriétés aérodynamiques. Nous avons décidé de réaliser une série de simulations et de comparer les résultats à ceux de l’Adidas® Telstar® de la Coupe du monde 2018 de la FIFA®. Voici ce que nous avons trouvé…
L’évolution du nouveau design
Le tournoi de l’Euro 2024 démarre aujourd’hui, le 14 juin, avec un match de l’Allemagne contre l’Écosse à Munich. Comme toujours, Adidas a fourni un nouveau ballon pour le tournoi, l’Adidas® Fussballliebe®. La conception des panneaux de ce nouveau ballon ressemble à celle du ballon Adidas® Al Rihla®, ballon officiel de la Coupe du Monde Qatar 2022 de la FIFA®. L’Adidas® Fussballliebe® présente cependant des différences en termes de design au niveau de la surface avec des nervures et des alvéoles. On retrouve aussi ce type de design dans les ballons Adidas® MLS 2024 et Adidas® Île-de-Foot 24, le ballon officiel des Jeux Olympiques de Paris 2024.
L’Adidas® Fussballliebe® a un design de surface très original.
Dans une précédente série de blogs, nous avons analysé et comparé les ballons Adidas® Telstar® et Nike® Ordem V. Depuis, le design des panneaux de l’Adidas® Telstar® a été largement utilisé dans une multitude de ballons de différents tournois, parmi lesquels on peut compter l’Adidas® MLS Pro 2022; l’Adidas® Uniforia® Pro, le ballon officiel de l’Euro 2020; et l’Adidas® Conext® 21, ballon officiel des Jeux Olympiques de Tokyo 2020.
Depuis la création de l’Adidas® Telstar®, Adidas a introduit plusieurs designs de ballons de match, comme par exemple l’Adidas® Al Rihla® et l’Adidas® Oceaunz, utilisé lors de la Coupe du Monde Féminine de la FIFA 2023®. Cependant, l’Adidas® Fussballliebe® présente un design qui introduit un changement majeur par rapport à ces ballons Adidas récents. Il est donc pertinent de comparer l’Adidas® Telstar® à l’Adidas® Fussballliebe® pour avoir une idée de l’évolution des ballons utilisés au plus haut niveau de jeu et tenter de prédire l’influence du ballon sur le résultat de l’Euro 2024.
L’une des équipes est-elle avantagée par le ballon?
Le top 8 des équipes les plus susceptibles de remporter l’Euro 2024 sont classées dans l’ordre suivant: Angleterre, France, Allemagne, Portugal, Espagne, Italie, Pays-Bas et Belgique. Elles se sont toutes entraînées et ont joué des matchs amicaux avec le ballon officiel, bien que quatre d’entre elles soient sponsorisées par Nike et quatre par Adidas.
Le top 8 des équipes, montrant les équipes sponsorisées par Adidas en haut et les équipes sponsorisées par Nike en bas.
Fait intéressant, les huit premières ligues nationales d’Europe correspondent au top 8 du classement des équipes nationales de l’Euro 2024. Mais aucune de ces ligues ne joue avec des ballons Adidas®. Une grande partie des joueurs des équipes du top 8 jouent dans la Ligue des Champions, dans laquelle le ballon utilisé est l’Adidas® Finale. Cependant, l’Adidas® Finale a un design nettement différent de celui de l’Adidas® Fussballliebe®. Des joueurs de la Saudi Pro League dans le top 8 des équipes — comme Aymeric Laporte en Espagne, Cristiano Ronaldo et João Neves au Portugal, et Georgino Wijnaldum aux Pays-Bas — devraient avoir un léger avantage, étant donné qu’elles sont habituées à jouer avec l’Adidas® Oceaunz, qui est similaire à l’Adidas® Fussballliebe® (même si le design des alvéoles est différent).
Lors d’un tournoi, la connaissance du ballon est très importante. Par exemple, Diego Forlán, un entraîneur de football professionnel et ancien joueur Uruguayen, s’est entraîné de nombreuses heures avec l’Adidas® Jabulani® avant de participer à la Coupe du Monde 2010 de la FIFA® en Afrique du Sud. Forlán comptait aussi parmi les quelques joueurs ayant réussi à bien maîtriser le ballon dès le début du tournoi. Il a également partagé la place de meilleur buteur avec Thomas Müller, Wesley Sneijder, et David Villa (chacun d’eux ayant marqué 5 buts).
Tout bien considéré, comparé au nombre total de joueurs participant à l’Euro 2024, un ensemble relativement restreint d’entre eux a une expérience de jeu avec un ballon similaire à l’Adidas® Fussballliebe® — cependant, l’impact de Ronaldo ne doit pas être sous-estimé. De fait, en termes de ballons, celui de l’Euro 2024 est relativement équitable.
La forme complexe de l’Adidas® Fussballliebe®
Les images ci-dessous montrent les géométries de l’Adidas® Telstar® et de l’Adidas® Fussballliebe® utilisées dans les simulations de cette étude. La longueur totale de jointure pour les deux ballons est d’environ 4.3 m. L’Adidas® Fussballliebe® a néanmoins une structure de surface macroscopique plus complexe, avec des nervures, des cercles et des alvéoles. Les deux ballons présentent une texture de surface microscopique, que nous n’avons pas incluse dans les modèles CAO 3D des géométries.
Les géométries de l’Adidas® Telstar® (gauche) et de l’Adidas® Fussballliebe® (droite). Notez les structures macroscopiques complexes de la surface de l’Adidas® Fussballliebe®.
Transition de la couche limite turbulente à laminaire
Comme cela a été discuté dans la série de blogs précédente, un ballon se déplaçant à grande vitesse, par exemple un coup franc, présente une couche limite turbulente (à l’exception d’une zone restreinte autour du point d’arrêt à l’avant) peu de temps après avoir quitté le pied du joueur. La couche limite turbulente se resserre autour du ballon, avec seulement une petite zone de sillage, donnant au ballon une faible traînée et un vol stable. Au fur et à mesure que la vitesse décroît du fait de la traînée, la transition entre la couche limite laminaire et turbulente de l’écoulement se déplace vers l’arrière, et le détachement se produit finalement dans la couche limite laminaire, à l’avant du ballon. Cela génère un sillage plus important derrière le ballon et, par conséquent, une traînée plus importante et un vol moins stable. Si cela se produit à haute vitesse, on observe l’apparition d’un effet Magnus plus important si le ballon tourne sur lui-même. Cela se traduit par une trajectoire qui pourrait être droite au départ, puis soudainement incurvée à cause de l’effet Magnus, lorsque la séparation de la couche limite passe de turbulente à laminaire. C’est ce qui s’est passé sur l’incroyable coup franc de Roberto Carlos dans le match entre le Brésil et la France en 1997.
Une illustration du but incroyable de Roberto Carlos pour le Brésil contre la France en 1997.
Si le ballon n’a pas d’effet de rotation, la trajectoire rectiligne est suivie par une trajectoire très imprévisible comme pour un ballon de plage, où le ballon peut se décaler de dizaines de centimètres (voire de mètres) par rapport à la trajectoire initiale. De plus, si la transition se produit à de hautes vitesses, le ballon ralentit drastiquement du fait du coefficient de traînée élevé dans le cas d’une séparation de la couche limite laminaire. Le pire scénario pour un gardien de but se produit lorsqu’il y a détachement de la couche limite et ralentissement, ce qui entraîne une légère chute de la balle sous l’effet de la gravité. Lorsque cela se produit, un coup franc ou un shoot qui paraît arriver plus d’un mètre au-dessus de la barre transversale peut soudainement chuter et finir dans la cage dans la dernière partie de sa trajectoire.
La chute de la traînée, induite par la transition de la couche limite laminaire à une couche limite turbulente, est aussi appelée régime de crise de traînée. Le schéma ci-dessous montre le coefficient de traînée en fonction de la vitesse du ballon, pour différents ballons.
Représentation du coefficient de traînée en fonction de la vitesse de l’Adidas® Jabulani® (vert); de l’Adidas® Teamgeist® II, utilisé lors de l’Euro 2008 (bleu); et un ballon conventionnel à 32 panneaux tel que le premier Adidas® Telstar® de la Coupe du Monde de la FIFA® en 1970 à Mexico.
Les modèles: Adidas® Telstar® vs. Adidas® Fussballliebe®
Dans notre étude nous avons utilisé à la fois une approche par la simulation des grandes structures de la turbulence (LES) et une approche basée sur un modèle Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS), qui utilise un modèle de turbulence k-ε, pour analyser et comparer l’Adidas® Telstar® et l’Adidas® Fussballliebe®.
Dans notre première approche, nous avons utilisé la méthode LES pour estimer le coefficient de traînée des deux ballons se déplaçant à des vitesses différentes. Cette méthode est en mesure de capturer la transition entre écoulement laminaire et turbulent dans la couche limite. L’approche LES nous a ainsi fourni la position relative de la crise de traînée due au motif macroscopique des deux ballons; les jointures des deux ballons; et les grandes nervures, les sillons et les alvéoles de l’Adidas® Fussballliebe®. Étant donné que nous n’avons pas inclus la texture microscopique de la surface dans la géométrie, nous ne pouvons pas prendre en compte son impact sur la traînée en utilisant la LES. (Notez que la méthode LES n’inclut pas de paramètre pour la rugosité de surface).
Le maillage avec le maillage de couche limite utilisé dans les calculs LES de l’Adidas® Fussballliebe®.
Pour capturer l’influence de la texture microscopique de la surface des ballons, nous avons introduit des paramètres pour la rugosité de surface dans le modèle de turbulence k-ε. Cependant, ce modèle considère que la couche limite est turbulente, il ne peut donc pas prédire la transition entre les couches limites laminaire et turbulente. Le modèle de turbulence k-ε peut nous indiquer quel est l’effet de la rugosité de surface sur les coefficients de traînée des deux ballons, étant donné que nous pouvons les comparer au coefficient de traînée calculé avec la méthode LES.
Les résultats
Les graphiques ci-dessous montrent les champs de vitesse autour de l’Adidas® Telstar® et de l’Adidas® Fussballliebe®, calculés avec l’approche LES. Les deux ballons se déplacent à une vitesse de 20 m/s, ce qui est bien au-dessus de la crise de traînée. Nous pouvons voir que la zone de sillage est petite, générant un coefficient de traînée bas, et légèrement plus grande pour l’Adidas® Fussballliebe®. De plus, la ligne de séparation derrière les ballons est similaire pour les deux ballons, même si l’Adidas® Fussballliebe® semble avoir un sillage plus stable. L’animation montre la séparation de la couche limite de l’Adidas® Telstar®.
Graphiques du champ de vitesse avec l’amplitude du vecteur vitesse et des lignes de courant montrant l’écoulement autour de l’Adidas® Telstar® et de l’Adidas® Fussballliebe®.
Une animation montrant le détachement de la couche limite sur l’Adidas® Telstar®, calculée avec l’approche LES.
Une animation montrant le détachement de la couche limite sur l’Adidas® Fussballliebe®, issue du calcul avec l’approche LES.
Lorsqu’ils se déplacent à une vitesse de 20 m/s, les coefficients de traînée sont de 0.18 pour l’Adidas® Telstar® et 0.19 pour l’Adidas® Fussballliebe®, tous deux calculés en utilisant la LES. Ceci est attendu, puisque l’Adidas® Fussballliebe® présente une structure de surface macroscopique sophistiquée, qui peut améliorer la transition de la couche limite.
Nous pouvons comparer le coefficient de traînée pour les deux ballons en utilisant le modèle de turbulence k-ε et en considérant une rugosité de surface de 0.1 mm (hauteur équivalente de rugosité du sable). Nous pouvons déduire des graphiques ci-dessous que l’Adidas® Fussballliebe® a un coefficient de traînée légèrement plus haut (0.21) que l’Adidas® Telstar® (0.20). Nous pouvons également voir que le modèle de turbulence k-ε prédit un détachement de la couche limite à peu près au même endroit que le modèle de LES. Ceci est aussi attendu, étant donné que nous sommes bien au-delà de la crise de traînée, avec une couche limite turbulente dans le modèle de LES et puisque le modèle k-ε considère que la couche limite est turbulente sur l’ensemble de la surface du ballon. De plus, la zone de sillage à l’arrière du ballon est légèrement plus longue comparée aux résultats de la LES.
Graphiques du champ de vitesse avec l’amplitude du vecteur vitesse et des lignes de courant montrant l’écoulement autour de l’Adidas® Telstar® (gauche) et de l’Adidas® Fussballliebe® (droite), issus du calcul avec un modèle de turbulence k-ε (transitoire dans le cas de l’Adidas® Telstar®).
Le coefficient de traînée de l’Adidas® Telstar® en fonction de la vitesse du ballon indique que la crise de traînée apparaît un peu plus tard pour ce ballon que pour un ballon traditionnel à 32 panneaux, mais plus tôt que pour l’Adidas® Teamgeist® II. cela signifie qu’il est plus stable que l’Adidas® Jabulani® et que l’Adidas® Teamgeist® II. L’Adidas Fussballliebe® devrait être encore plus stable que l’Adidas® Telstar® et sa crise de traînée ne devrait être que légèrement plus tardive que celle d’un ballon traditionnel à 32 panneaux.
Le graphique ci-dessous représente le coefficient de traînée en fonction de la vitesse du ballon, calculé en utilisant le modèle de turbulence k-ε pour l’Adidas® Fussballliebe® et calculé avec un modèle de LES pour l’Adidas® Telstar®. L’utilisation du modèle de turbulence k-ε ne fait apparaître aucune crise de traînée, puisque le modèle suppose que la couche limite est turbulente quelle que soit la vitesse. Cependant, suite au calcul préliminaire LES sur l’Adidas® Fussballliebe®, nous nous attendons à ce que la crise de traînée apparaisse à des vitesses plus faibles. Le ballon conserve ainsi sa vitesse sur une plus grande plage de vitesses avant d’être ralentie par la séparation de la couche limite laminaire. Des valeurs plus hautes du coefficient de traînée pour des vitesses plus importantes s’expliquent en partie par la rugosité de surface, mais même en la prenant en compte pour les deux ballons, l’Adidas® Fussballliebe® semble avoir un coefficient de traînée légèrement plus haut que l’Adidas® Telstar®.
Les coefficients de traînée de l’Adidas® Telstar® (bleu) et de l’Adidas® Fussballliebe® (vert) en fonction de la vitesse du ballon, calculés avec un modèle de LES et un modèle de turbulence k-ε, respectivement.
Le matériau du ballon
L’une des propriétés remarquables de l’Adidas® Telstar® est son élasticité, qui est légèrement supérieure à celle de ces prédécesseurs à une pression d’air donné. Cela implique que lors d’une frappe du ballon, celui-ci se déplace plus vite et il y a moins d’énergie dissipée sous forme de chaleur. L’Adidas® Fussballliebe® est encore plus élastique. (Mais c’est seulement une appréciation subjective lorsque l’on frappe les deux ballons.)
Nous devrions donc voir quelques buts magnifiques et, avec un peu de chance, des coups de pieds incroyables à 35m, comme le but légendaire de Roberto Carlos! Et restez à l’affût des coups francs de Ronaldo, il maîtrise probablement l’Adidas® Fussballliebe® mieux que la plupart des joueurs du tournoi.
Restez à l’écoute pour plus de mises à jour
Une étude complète de l’Adidas® Telstar® et de l’Adidas® Fussballliebe® devrait inclure la texture de la surface (la microstructure de la surface) dans le modèle CAO. Cela serait nécessaire pour utiliser la LES afin de générer des courbes précises du coefficient de traînée en fonction de la vitesse du ballon. En outre, les simulations devraient être lancées avec différentes parties du ballon face au vent pour prendre en compte les variations naturelles du coefficient de traînée. Mais nous n’avons travaillé que quelques jours sur cette étude, celle-ci ayant été réalisée pour le plaisir et pour satisfaire notre curiosité.
Restez à l’écoute pour une mise à jour, nous allons publier les résultats du coefficient de traînée de l’Adidas® Fussballliebe® en fonction de la vitesse du ballon, et plus encore une fois que nous aurons terminé l’ensemble des calculs nécessaires dans cet article de blog!
Note de l’éditeur: Cet article de blog a été mis à jour le 17 juin 2024, pour prendre en compte les résultats mis à jour.
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