นาซายืนยันลูกฟุตบอลโลกรุ่นใหม่ให้ทิศทางแม่นยำขึ้น (คลิป)

แม้ไม่ได้มีส่วนร่วมในการพัฒนาและทดสอบลูกฟุตบอลรุนใหม่ที่ใช้แข่งใน “เวิร์ลคัพ” ปีล่าสุดที่บราซิล แต่นาซาก็หยิบลูกบอลในการแข่งมาใช้สาธิตการศึกษาอากาศพลสาสตร์ได้อย่างน่าสนใจ และยืนยันว่า “บราซูกา” ลูกฟุตบอลรุ่นใหม่จะตัดปัญหาเก่าๆ ของ “จาบูลานี” ลูกฟุตบอลโลกเมื่อ 4 ปีก่อน

องค์การบริหารการบินอวกาศสหรัฐ (นาซา) เผยภาพการทดสอบด้านอากาศพลศาสตร์ (aerodynamics) กับลูกฟุตบอลรุ่นใหม่ที่ใช้ในการแข่งขันฟุตบอลโลกที่บราซิลเป็นเจ้าภาพ โดยเป็นภาพของลูกฟุตบอลบราซูกาเวิร์ลคัพ 2014 (Brazuca World Cup 2014) ที่ทดสอบในอุโมงค์ลมขนาด 2 x 2 ฟุต ภายในห้องปฏิบัติการกลศาสตร์ของไหลของศูนย์วิจัยเอมส์ (Ames Research Center) ซึ่งภาพควันแสงเลเซอร์สีเขียวที่ปกคลุมลูกฟุตบอล แสดงถึงการไหลของอากาศรอบๆ ลูกฟุตบอล

ทั้งนี้ จาบูลานี (Jabulani) ลูกหนังในการแข่งฟุตบอลโลกเมื่อ 4 ปีก่อนอาจเป็นที่ชื่นชอบสำหรับกองหน้าผู้ทำประตู แต่สำหรับผู้รักษาประตูอาจไม่ชอบใจนัก เพราะทำให้เกิดลูกนัคเคิล (knuckle) หรือลูกเตะเต็มข้อที่เปลี่ยนวิถีโค้งได้ง่ายและจับทิศทางได้ยาก ซึ่งทำให้ผู้เล่นมีโอกาสทำประตูสูง โดยนาซาอธิบายถึงการเกิดนัคเคิลว่า เป็นผลจากการที่รอยตะเข็บของลูกบอลชักนำให้เกิดการไหลของอากาศอย่างผิดปกติและไม่แน่นอน ทำให้เกิดวิถีที่ยากจะคาดเดา

เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าวทางผู้ผลิตฟุตบอลจึงได้พัฒนาลูกฟุตบอลบราซูการ่วมกับนักเตะหลายร้อยคน จนออกแบบลูกฟุตบอลที่ผิวประกอบด้วยแผ่นหนังเพียง 6 แผ่น ขณะที่จาบูลานีมี 8 แผ่นและฟุตบอลทั่วไปมี 32 แผ่น ถึงแม้ว่าจะมีแผ่นหนังจำนวนน้อยชิ้นกว่า แต่รอยตะเข็บของบราซูกาก็ลึกกว่าจาบูลานี และที่แผ่นหนังเองยังมีตุ่มเล็กๆ ซึ่งส่งผลต่อแอโรไดนามิกส์ (aerodynamics) หรืออากาศพลศาสตร์ของลูกบอล

อากาศพลศาสตร์นั้นเป็นการศึกษาการไหลของ “ของไหล” (fluid) อย่างอากาศและของเหลวรอบๆ วัตถุ ซึ่งนาซายกให้ศูนย์วิจัยเอมส์เป็นหนึ่งในเรื่องนี้ และมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งว่าของไหลนั้นไหลไปรอบๆ รูปทรงสามมิติอย่างทรงกระบอกและทรงกลมอย่างไร ซึ่งองค์ความรู้เหล่านี้ช่วยให้วิศวกรทำนายได้ว่า การเปลี่ยนแปลงรูปทรงพื้นฐานเหล่านี้เพียงเล็กน้อยนั้นจะส่งผลต่อรูปแบบการไหลอย่างไร

ทั้งนี้ อากาศที่ไหลไปตามลูกทรงกลมนั้นไม่ได้ราบรื่น แต่จะก่อแรงดึงอยู่ด้านหลังวัตถุ ซึ่งนาซาได้ยกตัวอย่างว่า หากเป็นลูกกอล์ฟทรงกลมจะได้ไม่ไกลเท่าลูกกอล์ฟที่มีรอยบุ๋ม ซึ่งรอยบุ๋มดังกล่าวช่วยก่อกวนอากาศ ทำให้เกิดแรงดันต่ำก่อตัวน้อยๆ ด้านหลังลูกกอล์ฟและมีแรงดึงน้อยลง ลูกกอล์ฟจึงไปได้ไกลขึ้น



ทางด้าน ราบิ เมห์ตา (Rabi Mehta) หัวหน้าฝ่ายการทดลองด้านแอโรฟิสิกส์ ประจำศูนย์วิจัยเอมส์ของนาซา ให้ความเห็นว่า กีฬาจะช่วยดึงนักวิจัยรุ่นใหม่ให้สนใจศาสตร์ด้านอากาศพลศาสตร์ จากการเชื่อมโยงสิ่งที่พวกเขาคุ้นเคย พร้อมทั้งอธิบายถึงการไหลของอากาศที่ส่งผลต่อลูกบอลว่า มีชั้นอากาศบางๆ ที่ก่อตัวอยู่ใกล้ผิวลูกบอล ซึ่งสถานะและพฤติกรรมของชั้นอากาศดังกล่าวส่งผลต่อพฤติกรรมของลูกบอลด้วย

นอกจากนี้ วัสดุที่ใช้ ความขรุขระพื้นผิวลูกบอลและการกระจายตัวนั้น เป็นสิ่งที่กำหนดลักษณะอากาศพลศาสตร์ ซึ่งโดยภาพรวมแล้วการมีพื้นผิวที่ขรุขระมากขึ้น ทำให้ลูกบอลบราซูกาลดโอกาสเกิดการลูกนัคเคิลจากการเตะที่ความเร็วปกติของนักฟุตบอลในการแข่งขันฟุตบอลโลกได้
 
ภายในอุโมงค์ลมที่ศูนย์วิจัยเอมส์นั้นเมห์ตาได้สาธิตให้เห็นการไหลเวียนของอากาศรอบๆ ลูกบอลบราซูกา โดยการปล่อยควันที่กำหนดเป็นลำพร้อมแสงเลเซอร์สีเขียวที่ช่วยให้เห็นควันได้ง่ายขึ้น ซึ่งที่ความเร็วควันแตกต่างกันนั้นเผยให้เห็นอากาศที่ไหลเวียนรอบลูกบอลที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน โดยนักวิจัยต้องการรู้ว่า ความเร็วเท่าไรที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของควันอย่างฉับพลัน ซึ่งเป็นผลจากการปรากฏการณ์นัคเคิล

จากการทดสอบทั้งในอุโมงค์ลมและร่องน้ำ 17 นิ้ว ที่ใช้สีย้อมเรืองละลายในของเหลวที่ไหลเวียนอยู่ใต้แสงยูวี เผยให้เห็นว่า ลูกบอลทั่วไปนั้นเกิดปรากฏการณ์นัคเคิลที่ความเร็ว 30 ไมล์ต่อชั่วโมง ขณะที่นักเตะในการแข่งขันฟุตบอลโลกนั้นเตะด้วยความเร็ว 50-60 ไมล์ต่อชั่วโมง และจากการทดสอบพบว่าจาบูลานีที่มีผิวราบเรียบนั้นจะเกิดปรากฏการณ์นัคเคิลที่ความเร็วประมาณ 50 ไมล์ต่อชั่วโมง

นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมผู้เล่นในการแข่งขันเมื่อปี 2010 จึงพบเหตุการณ์ลูกนัคเคิลถี่กว่าปกติ แต่การเพิ่มความขรุขระให้ผิวลูกบอลบราซูกาทำให้ควาเร็วที่จะเกิดปรากฏการณ์นัคเคิลลดลงเหลือที่ความเร็ว 30 ไมล์ต่อชั่วโมง ซึ่งคาดว่าลูกบอลในการแข่งขันฟุตบอลโลกปี 2014 นี้จะมีทิศทางที่คาดเดาได้มากขึ้นเมื่อเตะด้วยความเร็วทั่วไปในเกมการแข่งขัน