ワールドカップボールは王者の空気力学を持つ

 ワールドカップの公式球「アル・リフラ」をスポーツ物理学者が分解してみた。

2022年FIFAワールドカップ・カタール大会では、例年通り、選手たちは新しいボールを使用することになります。世界で最も人気のあるスポーツの最も重要な大会で、最も重要な道具が予想外の挙動を示すことは、競技者にとって最も避けたいことなので、ワールドカップの新しいボールがすべて選手にとって馴染んだものになるように、多くの作業が行われます。

私はリンチバーグ大学の物理学の教授で、スポーツの物理学を研究しています。今年のワールドカップでは、汚職や人権問題が取りざたされましたが、サッカーの科学と技術には美しさがあります。私は研究の一環として、4年ごとにワールドカップの新球を分析し、世界で最も美しいゲームの目玉を作るために何がなされたかを調べています。

抗力の物理

シュート、フリーキック、ロングパスなど、サッカーの試合ではボールが空中にあるときに多くの重要な場面が生まれます。そのため、サッカーボールの最も重要な特性の1つは、ボールがどのように空中を移動するかということです。

ボールが空気中を移動するとき、ボールの一部を取り囲むように境界層と呼ばれる薄い空気の層が形成されます。低速の場合、この境界層はボールの前半分しか覆わず、流れる空気は表面から剥がれ落ちます。このとき、ボールの後方にできる空気の流れはある程度規則的で、層流と呼ばれます。

しかし、ボールが高速で移動する場合、境界層はボールの周囲をはるかに回り込みます。やがてボールの表面から空気の流れが離れると、その流れは無秩序な渦を巻き起こします。これを乱流といいます。

物理学者は、動いている物体に加わる空気の力の大きさを計算する際に、抗力係数と呼ばれる言葉を使います。速度が一定であれば、抗力係数が高いほど、物体はより大きな抗力を感じることになります。

サッカーボールの抗力係数は、層流の場合、乱流の場合の約2.5倍であることが分かっています。一見すると直感に反するが、ボールの表面を粗くすると境界層の剥離が遅れ、ボールが乱流に長くとどまることができる。ディンプル加工されたゴルフボールが、滑らかなボールよりも遠くへ飛ぶのは、この物理法則に基づくものなのです。

良いサッカーボールを作るには、気流が乱流から層流に移行する速度が重要です。乱流から層流に変わるときに、ボールの速度が急激に遅くなるからだ。層流の開始速度が速すぎると、乱流を長く維持できるボールに比べて、ボールの減速が早くなってしまうのです。