Comme à chaque Coupe du Monde, lors de la Coupe du Monde de la FIFA 2022 au Qatar, les joueurs utiliseront un nouveau ballon. La dernière chose que les concurrents souhaitent, c’est que la pièce d’équipement la plus importante du tournoi le plus important du sport le plus populaire au monde se comporte de manière inattendue.
Je suis professeur de physique à l’Université de Lynchburg et j’étudie la physique du sport. Malgré les controverses sur la corruption et les problèmes de droits de l’homme entourant la Coupe du monde de cette année, il y a toujours de la beauté dans la science et les compétences du football. Dans le cadre de mes recherches, je fais tous les quatre ans une analyse du nouveau ballon de la Coupe du monde pour voir ce qui a contribué à créer la pièce maîtresse du plus beau jeu du monde.
La physique de la traînée
Entre les tirs au but, les coups francs et les longues passes, de nombreux moments importants d’un match de football se produisent lorsque le ballon est en l’air. Ainsi, l’une des caractéristiques les plus importantes d’un ballon de football est la façon dont il se déplace dans l’air.
Lorsqu’une balle se déplace dans l’air, une fine couche d’air essentiellement immobile appelée couche limite entoure une partie de la balle. À basse vitesse, cette couche limite ne couvrira que la moitié avant de la balle avant que l’air qui s’écoule ne se détache de la surface. Dans ce cas, le sillage de l’air derrière le ballon est assez régulier et s’appelle le flux laminaire.
Lorsqu’une balle se déplace rapidement, cependant, la couche limite s’enroule beaucoup plus loin autour de la balle. Lorsque le flux d’air finit par se séparer de la surface de la balle, il le fait dans une série de tourbillons chaotiques. Ce processus est appelé écoulement turbulent.
Pour calculer la force que l’air en mouvement exerce sur un objet en mouvement, appelée traînée, les physiciens utilisent un terme appelé coefficient de traînée. Pour une vitesse donnée, plus le coefficient de traînée est élevé, plus un objet ressent de traînée.
Il s’avère que le coefficient de traînée d’un ballon de football est environ 2,5 fois plus grand pour un écoulement laminaire que pour un écoulement turbulent. Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, la rugosité de la surface d’une balle retarde la séparation de la couche limite et maintient une balle dans un écoulement turbulent plus longtemps. Ce fait physique – que les balles plus rugueuses ressentent moins de traînée – est la raison pour laquelle les balles de golf à fossettes volent beaucoup plus loin qu’elles ne le feraient si les balles étaient lisses.
Lorsqu’il s’agit de fabriquer un bon ballon de football, la vitesse à laquelle le flux d’air passe de turbulent à laminaire est essentielle. En effet, lorsque cette transition se produit, une balle commence à ralentir considérablement. Si le flux laminaire démarre à une vitesse trop élevée, la balle commence à ralentir beaucoup plus rapidement qu’une balle qui maintient un flux turbulent plus longtemps.
Évolution du ballon de la Coupe du monde
Adidas fournit des ballons pour la Coupe du monde depuis 1970. Jusqu’en 2002, chaque ballon était fabriqué avec la construction emblématique à 32 panneaux. Les 20 panneaux hexagonaux et 12 pentagonaux étaient traditionnellement en cuir et cousus ensemble.
Une nouvelle ère a commencé avec la Coupe du monde 2006 en Allemagne. Le ballon de 2006, appelé Teamgesit, se composait de 14 panneaux synthétiques lisses qui étaient thermocollés ensemble au lieu d’être cousus. Le joint collé plus serré empêchait l’eau de pénétrer à l’intérieur du ballon les jours de pluie et d’humidité.
Fabriquer une balle avec de nouveaux matériaux, avec de nouvelles techniques et avec un plus petit nombre de panneaux, change la façon dont la balle vole dans les airs. Au cours des trois dernières Coupes du monde, Adidas a essayé d’équilibrer le nombre de panneaux, les propriétés des coutures et la texture de la surface pour créer des balles avec juste la bonne aérodynamique.
Le ballon Jabulani à huit panneaux de la Coupe du monde 2010 en Afrique du Sud avait des panneaux texturés pour compenser les coutures plus courtes et un nombre inférieur de panneaux. Malgré les efforts d’Adidas, le Jabulani était un ballon controversé, de nombreux joueurs se plaignant qu’il ralentissait brusquement. Lorsque mes collègues et moi avons analysé le ballon dans une soufflerie, nous avons constaté que le Jabulani était globalement trop lisse et avait donc un coefficient de traînée plus élevé que le ballon Teamgesit 2006.
Les ballons de la Coupe du monde pour le Brésil en 2014 – le Brazuca – et la Russie en 2018 – le Telstar 18 – avaient tous deux six panneaux de forme étrange. Bien qu’ils aient des textures de surface légèrement différentes, ils avaient généralement la même rugosité de surface globale et, par conséquent, des propriétés aérodynamiques similaires. Les joueurs ont généralement aimé le Brazuca et le Telstar 18, mais certains se sont plaints de la tendance du Telstar 18 à éclater facilement.