ลูกฟุตบอลหมุนแล้วโค้งกลางอากาศได้อย่างไร?

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ

ตอนดูฟรีคิก บางลูกพุ่งตรงเข้าหากำแพงนักเตะ ก่อนจะเบนหนีออกไปหาเสาอีกด้าน คนเตะไม่ได้เปลี่ยนทางลูกกลางอากาศด้วยเวทมนตร์ แต่อาศัยการเตะให้ลูกหมุน แล้วการหมุนนั้นทำให้วิถีเปลี่ยนได้อย่างไร?

หัวใจคือแรงด้านข้างที่เกิดกับวัตถุซึ่งหมุนขณะเคลื่อนผ่านอากาศ นักฟิสิกส์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “แรงแม็กนัส” ส่วนที่เรามองเห็นคือลูกค่อย ๆ เบนจากเส้นทางเดิม ไม่ได้หักเลี้ยวฉับพลันเหมือนถูกดึงด้วยเชือก

เมื่อเตะเฉี่ยวด้านข้างของลูก ลูกจะเริ่มหมุนรอบแกนหนึ่ง ระหว่างที่มันพุ่งไปข้างหน้า ผิวลูกที่กำลังหมุนก็รบกวนการไหลของอากาศรอบลูก อากาศสองด้านจึงไหลและแยกตัวไม่เหมือนกัน กระแสลมวนด้านหลังลูกเบนไปข้างหนึ่ง เกิดแรงผลักให้ลูกเบนไปด้านข้างอย่างต่อเนื่อง

ทิศที่ลูกเบนขึ้นกับแกนหมุนและทิศหมุนด้วย เมื่อเปลี่ยนทิศหมุน ทิศแรงด้านข้างก็เปลี่ยน ลูกจึงโค้งซ้ายหรือขวาได้ คนเตะจึงเลือกทิศหมุนเพื่อส่งลูกอ้อมกำแพงไปอีกด้าน

คำอธิบายนี้เรียกแรงด้านข้างจากการหมุนว่าแรงแม็กนัส งานทดลองของ Takeshi Asai, Kazuya Seo และ Osamu Kobayashi ใช้อุโมงค์ลมวัดแรงบนลูกฟุตบอลที่หมุนและไม่หมุน จากนั้นใช้ภาพถ่ายการไหลของอากาศดูทางเดินของกระแสวน งานวิจัยพบว่าการหมุนทำให้กระแสวนเบน และแรงด้านข้างเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้ลูกโค้ง

แต่ดูแค่จำนวนรอบที่ลูกหมุนแล้วทำนายความโค้งไม่ได้ทั้งหมด รูปแบบและแนวรอยต่อบนผิวลูกก็มีส่วนกำหนดการไหลของอากาศ งานทดลองพบว่าลูกฟุตบอลที่มีแผงทำให้การไหลและแรงต้านต่างจากลูกทรงกลมเรียบ รายละเอียดเหล่านี้ทำให้ลูกแต่ละแบบตอบสนองต่ออากาศไม่เหมือนกัน

เวลาเห็นลูกโค้ง ลองสังเกตทั้งทิศหมุน ความเร็ว และแนวรอยต่อบนผิวลูกไปพร้อมกัน แรงจากการหมุนช่วยเปลี่ยนทางลูก แต่ลมรอบสนามและรูปทรงลูกก็ร่วมกำหนดว่ามันจะเบนมากน้อยแค่ไหน

ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th