Profielwerkstuk voetbal & natuurkunde - KNAW Onderwijsprijs

Gebaseerd op Sports aerodynamics’, paragraaf 1 ‘Introduction’, blz. 6 (5) en Computational Fluid Dynamics for Sport
Simulation, paragraaf 2 ‘Basic of Sports Ball Aerodynamics’, blz. 84 (1).
1.7 Grenslaag scheiding
De luchtstromingen in de laminaire grenslaag zullen net als alle andere luchtstromingen die om de
bal heen stromen een hogere snelheid krijgen naarmate ze zich over het oppervlak van de bal
verplaatsen. Aangezien de bal het stromingspatroon verstoord is er minder ruimte voor de
luchtstromingen om zich in te verplaatsen. De lucht zal dus in snelheid toe moeten nemen omdat de
hoeveelheid luchtstroming niet veranderd (denk aan het voorbeeld met de tuinslang). De
toenemende snelheid heeft natuurlijk ook invloed op de drukverdeling rondom de bal. Bij het
stuwpunt was de (stuw)druk maximaal, maar de snelheid minimaal. Als je de stroming langs het
oppervlak van de bal volgt tot aan de ‘top’ van de bal zal de snelheid toenemen (figuur 1.4), maar de
druk automatisch afnemen.
Figuur 1. 4 Principe van scheiding van laminaire grenslaag © Computational Fluid Dynamics for Sport Simulation (1)
Bij de top van de bal is de snelheid van de luchtstromingen (ook die in de grenslaag) dus maximaal
(figuur 1.4, punt C), maar de druk zal daar minimaal zijn. De lucht zich zou het liefst evenwijdig aan
de top (rechtdoor) voortplanten. Het oppervlak van de bal loopt echter naar beneden af waardoor de
luchtstromingen eigenlijk van de bal af willen bewegen waardoor de snelheid langs het oppervlak van
de bal af zal nemen. Daarnaast is de luchtdruk aan de achterkant van de bal relatief groter dan de
(minimale) luchtdruk bij de top van de bal. De lucht aan de achterzijde zal daardoor arbeid gaan
verrichten en een kracht uitoefenen op de grenslaag. De snelheid van de verschillende stromingen in
de grenslaag zal hierdoor nog sneller afnemen waardoor op een bepaald moment de snelheid van de
luchtstroming het dichtst bij het oppervlak gelijk aan nul is. Het punt waarop dit gebeurd noemen we
het scheiding (seperation) punt (figuur 1.4, D). De lucht aan de achterzijde van de bal blijft een kracht
uitoefenen waardoor de snelheid van de onderste luchtstroming ‘eigenlijk’ negatief wordt. Het
gevolg hiervan is dat deze luchtstroom veranderd in een turbulente kolk die de rest van de grenslaag
als het ware van het oppervlak afritst (figuur 1.4, punt E). De grenslaag laat dus los van het oppervlak
waarna zij overgaat in turbulente status er ontstaat een zogenoemde ‘wake’ (figuur 1.5) waarin de
luchtdeeltjes meer kinetische energie bezitten dan aan de voorzijde van de bal. Volgens [3] moet de
druk aan de achterzijde dan kleiner zijn dan de (toch al maximale) stuwdruk aan de voorkant. Er
ontstaat aan de achterkant van de bal dus onderdruk waardoor de luchtdruk een kracht tegengesteld
aan de voortplantingsrichting van de bal gaat uitoefenen. Deze weerstand noemen we de
drukweerstand.
© Mike van Oppen & Richard Post 8